Enzymer bygget fra bunden

Som et stort skridt fremad for beregningsmæssigt proteindesign har forskere bygget fra bunden en håndfuld enzymer, der med succes katalyserer en specifik kemisk reaktion. Disse proteiner har ingen naturligt forekommende modstykker, og reaktionen - som nedbryder et menneskeskabt kemikalie - har ingen naturlig katalysator.

Katalysator kreativitet: Forskere udviklede en beregningsteknik til at bygge enzymer fra bunden. Et enzym kaldet retro-aldolase, hvoraf en del er vist ovenfor, blev designet til at bryde carbon-carbon-bindinger i et ikke-naturligt kemisk substrat (gul og hvid stick-model). Det grå net er enzymets aktive sted, dets geometri er omhyggeligt udformet til at holde substratet på plads. De orange og grønne stick-modeller angiver komponenter af enzymet, der er særligt vigtige for at få reaktionen fremad.

Det gør det klart, at vi kan beregne en struktur, der vil katalysere en reaktion, hvor der ikke var nogen før, siger Frances Arnold , professor i kemiteknik og biokemi ved Caltech , som ikke var involveret i forskningen. Arnold kalder nye enzymer den hellige gral af beregningsmæssigt proteindesign. At designe ethvert protein fra bunden er en stor opgave; at konstruere et protein, der kan udføre en given funktion, kræver langt mere sofistikering.

David Baker og hans kolleger ved University of Washington fokuseret på en reaktion, der ville bryde visse bindinger mellem kulstofatomer. Evnen til at designe enzymer, der kan bryde og danne kulstof-kulstofbindinger, kunne potentielt gøre det muligt for forskere at nedbryde miljøgifte, fremstille lægemidler og skabe nye brændstoffer.

Som de beretter i journalen Videnskab , designede Baker og hans gruppe først, hvordan et ideelt aktivt websted ville se ud for reaktionen. Et aktivt sted er en lomme i et enzym, hvor den katalyserede reaktion finder sted. For at udføre sit arbejde skal et aktivt sted have præcis geometri og kemisk sammensætning, skræddersyet til den reaktion, den katalyserer. Nogle komponenter holder de reagerende molekyler på plads, mens andre deltager i reaktionens kemiske mekanismer.

Når forskerne beregnede det aktive sted, brugte de et nyudviklet sæt algoritmer til at modellere proteiner, der har et sådant sted. Hvert designet protein blev rangeret efter dets evne til at binde de reagerende kemikalier og holde dem i den rigtige position.

Det næste trin var faktisk at syntetisere de udvalgte proteiner. Forskerne udledte gensekvenser for 72 af de designede enzymer, bestilte udsnit af DNA, der indeholdt disse gener, og brugte bakterier til at omdanne generne til proteiner. Hvert protein blev derefter testet for dets evne til at katalysere carbon-carbon-bindingsnedbrydningsreaktionen.

Af de 72 udvalgte proteiner hjalp 32 med succes med reaktionen. De mest effektive proteiner fremskyndede reaktionen til 10.000 gange hastigheden uden et enzym.

Selvom det er en imponerende bedrift sammenlignet med tidligere enzymdesignforsøg, blegner de syntetiserede enzymer i forhold til naturligt forekommende. Det er slet ikke særlig godt, siger Baker. Naturligt forekommende enzymer kan øge reaktionshastigheden med meget, meget større mængder - så meget som en kvadrillion gange.

Et af vores forskningsproblemer er at finde ud af, hvad der mangler fra vores design, som naturligt forekommende enzymer har fundet ud af, siger Baker. I opfølgende undersøgelser har hans gruppe taget to tilgange til dette problem: at forfine sine computeralgoritmer og bede naturen om at træde til, hvor forskerne slap. Ved at bruge deres minimalt funktionelle enzymer som evolutionære udgangspunkter, kan forskerne bruge rettet evolution til at skabe mere effektive katalysatorer.

Tidligere har rettet evolution været en alternativ tilgang til at skabe ønskværdige enzymer. Men Baker mener, at det kan bruges som et supplement til beregningsmæssige tilgange. Beregningsmæssigt design giver forskere en måde at bygge proteiner op fra bunden, hvilket giver dem mulighed for at konstruere enzymer til reaktioner, der ikke har nogen naturlig modstykke. På den måde ville vi være fri for tyranniet med at skulle finde noget i naturen at tage udgangspunkt i, siger Arnold, hvis arbejde har fokuseret meget på rettet evolution.

Men rettet evolution giver et middel til at lave de strukturelle tweaks, som algoritmerne for beregningsdesign endnu ikke er sofistikerede nok til at håndtere. Det er faktisk fremtidens bølge, siger Baker, fordi disse eksperimenter med rettet udvikling kan fange meget mere subtile ting, end vi kan fange i beregningerne.

Baker's er ikke den første gruppe til at tackle beregningsmæssigt enzymdesign. For eksempel Caltech biokemiker Steve kan , en pioner inden for beregningsproteindesign, rapporterede skabelsen af ​​enzymer fra eksisterende ikke-enzymproteiner i 2001. Men Bakers tilgang adskiller sig ved, at den ikke bruger eksisterende proteiner som udgangspunkt – det er ægte de novo-design.

Arnold siger, at Bakers enzymer også er mere kraftfulde end Mayos, men at det er svært at præcisere, hvor meget mere. Det er en anden slags enzym, så man kan ikke rigtig sammenligne æbler og appelsiner, siger hun. Men dette er et ret godt æble.

skjule