Connect with us

Znanost

Biotehnologija

Oblikovanje enzima s daljinskim efektima

Inženjeri se vjerojatno neće poslužiti rashladnim sistemom ako žele povećati veličinu stroja. Ipak, kemičari na Max Planck institutu za istraživanje ugljena usvojili su pristup sličan ovome u svojim nastojanjima da optimiziraju enzim za praktičnu primjenu.

Zamijenili su dvije aminokiseline na relativno distalnom mjestu u odnosu na biokatalitičko vezujuće mjesto, mjesto na kojem se odvija kemijska reakcija. Ova modifikacija mijenja ukupnu strukturu enzima na takav način da se sada može pretvoriti veći broj različitih kemijskih spojeva.

Osim toga, preferencijalno proizvodi jedan od dva moguća enantiomera koji se javljaju kao racemične smjese tijekom tradicionalne sinteze. Iako su kemijski identični, enantiomeri se razlikuju, u smislu njihove strukture, kao desna i lijeva ruka. Samo jedna od dvije verzije je obično pogodna za korištenje kao medicinski aktivna tvar. Zahvaljujući njihovom istraživanju, istraživači s Max Plancka uspjeli su pokazati način za novi pristup koji će omogućiti pretvorbu enzima prilagođenih potrebama kemijske i farmaceutske industrije. (Proceedings of the National Academy of Science rano izdanje, 27. siječanj 2010.)

Enzimi rade izuzetno pouzdano, no ipak su vrlo selektivni. Transformiraju molekule koje nastaju u prirodi u precizne oblike koje zahtijeva stanica ili organizam. Međutim, često se pretvaraju u samo jedan kemijski sastojak – kao što je garaža koja se specijalizirala samo na popravak određenog modela vozila. To je važno u biologiji, kao i da kemijske aberacije mogu paralizirati mehanizam biomolekula. Kemijska i farmaceutska industrija imaju potrebu za katalizatorima, npr. enzimima, koji također prerađuju molekule koje se ne pojavljuju u prirodi. Enzimi ovdje uključeni su često enantiomeri, dva prividno slična spoja koji se razlikuju kao desna i lijeva ruka. Kemičari se sada suočavaju s izazovom pronalaženja katalizatora koji dopuštaju samo jedan enantiomerski oblik koji se pojavljuje tijekom postupka pretvorbe, koji je, katalizator koji ima enantio selektivni učinak. Enzimi ponekad mogu biti nepredviđeni kao katalizatori za dobivanje prijelaznih spojeva kroz enantio selektivnu sintezu za proizvodnju lijekova. Taj proces često ne uspijeva, međutim, kao što je enzim nesposoban prepoznati oblik enantiomera: samo jedan od dva enantiomera treba nastati u kemijskoj reakciji kao što, u većini slučajeva, samo jedan prikazuje željenu biološku aktivnost.

Istraživači s Max Planck instituta za istraživanje ugljena sada su konstruirali enzim koji pretvara brojne molekule selektivno uz pomoć usmjerenog razvitka. “Ono što mi ovdje radimo donosi sa sobom evoluciju u epruveti”, kaže Manfred T. Reetz, direktor Instituta Max Planck u Mülheimu, koji je na čelu trenutne istraživačke aktivnosti.

Dakle, kemičari generiraju varijante enzima uz postupno mijenjanje njihove strukture putem slučajne mutacije. Prije toga, enzimi su već strukturalno modificirani ili oblikovani enantioselektivno, uzrokujući slučajne mutacije u aktivnom centru gdje se reakcija događa. Sada su razvili fundamentalno različite strategije. Međutim, enzim je izmijenjen na mjestu koje nije uključeno u stvarnoj reakciji. ” Usvojili smo novi pristup usmjeren na evoluciju i mutagenezu u kombinaciji s racionalnim dizajnom”, izjavio je Manfred Reetz.

Reetz i njegove kolege su počeli s prirodnom Baeyer-Villiger monooksidazom. Ovaj enzim oksidira molekulu supstrata, ketona, da budemo precizniji, umetajući atom kisika na precizno definiran položaj. Proizvod tog procesa je lakton. Enantio selektivno proizvedeni laktoni visoko su cijenjeni među spojevi u kemijskoj i farmaceutskoj industriji.

Prirodni oblik enzima često radi u potpunosti neselektivno, to jest, ne može razlikovati enantiomere kako se oba oblika pretvaraju jednakom brzinom u vezujuće mjesto. Situacija je još kritičnija kada sintetička molekula još nije ni pretvorena, jer ne stane u vezujuće mjesto. “Da bi povećali ovo vezujuće mjesto za sintetske molecule, počeli smo tražeći mjesto u strukturnom modelu enzima, u kojem promjene preoblikuju vezujuće mjesto, iako se ono nalazi na relativno značajnoj udaljenosti od vezujućeg mjesta”, objašnjava Juan Pablo Acevedo, koji je, zajedno s Sheng Wu, izravno sudjelovao u preoblikovanju enzima.

Sumnjali su da se položaj na kojem bi supstitucija aminokiselina prikazala željeni efekt, nalazi na pozicijama 93 i 94 amino kiselinskog lanca. Na temelju teorijskih razmatranja, kemičari su došli do zaključka da bi odgovarajuća mutacija trebala potaknuti strukturne reorganizacije s rezultatom da se dvije domene, koje su dvije podjedinice enzima, premjeste zajedno: “Naše mišljenje je da bi se vezujuća mjesta povećala ako smo dovukli te dvije domene bliže jednu drugoj,” kaže Juan-Pablo Acevedo. Istraživači su ovo postigli tako da su istodobno zamjenili aminokiseline na dva mjesta sa novim agensima pomoću slučajnih zasićenja mutageneze. Vezujuće mjesto se zapravo poveća kada umetnu asparagin u mjestu glutamina u položaju 93 i aspartinske kiseline u mjestu prolina na poziciji 94.

Enzim zatim pretvori cijeli niz različitih tvari s visokim aktivnosti, te se opaža neobično visoka enantio selektivnost. Znanstvenici su uspjeli u savladavanju nečega što se usko događa ovdje: dok veće vezujuće mjesto otvara enzim za širi spektar supstrata molekula, obično isto smanjuje svoju stereo kontrolu preko reakcija. No, nije problem doći ovdje.

Što je mnogo važnije za istraživače je da njihov pristup u osnovi djeluje: da mogu preoblikovati reakcijski centar uzrokujući strukturne promjene kroz daljinske mutageneze. Biokemičari su već upoznati s tzv. alosteričkim efektima, to jest, reorganizacijom u mnogim enzimima koji su popraćeni strukturalnim promjenama u relevantnim vezujućim mjestima. Međutim, ovi efekti su generirani od strane malih molekula koje pristaju na enzim daleko od vezujućeg mjesta. “Korištenjem metoda genetske tehnologije, generirali smo ciljane alosteričke učinke u enzimu koji nije zapravo alosterički”, izjavio je Juan Pablo Acevedo. Mühlheimovi istraživači su već povremeno promatrali daljinske mutacije u toku usmjerene evolucije enantio selektivnih enzima. Međutim, do sada nije bilo moguće pripisati ih alosteričkim efektima.

Izmijenjeni enzimi oblikuju se putem reprogramiranih bakterija. Istraživači infiltriraju genetske karte za varijante prirodnih enzima u jednostanični organizm. U tim kartama, zamijene predložene aminokiseline u jednoj ili više lokacija. Umjesto testiranja svih 20 aminokiselina od kojih su izgrađeni proteini, međutim, oni samo koriste dvanaest. “Ovaj koktel je visoko reprezentativna mješavina strukturno i elektronski različitih aminokiselina,” objašnjava Manfred Reetz. Teoretski, monooksigenaza, koje su on i njegovi kolege usvojili kao model enzima, ima 144 varijante s različitim kombinacijama aminokiselina na pozicijama 93 i 94. Da zaista održali sve ove varijante, znanstvenici su morali uzgajati oko 400 kolonija iz smjese reprogramirane bakterije, izolirati enzim iz nje i testirati njegove karakteristike.

U tom pogledu, 400 varijanti je mali broj. Ako istraživači pažljivo ne odaberu pozicije na kojima će promjene uroditi željenim efektom, te umjesto toga primjenjuju “slijepe” slučajne mutageneze na cijeli enzim, pristup često usvojen u usmjerenoj evolucije, vjerojatno će morati testirati najmanje nekoliko stotina tisuća varijanti – previše za metodu da bude izvediva za kemijsku industriju i biotehnologiju. “Kombinirajući racionalni dizajn i slučajne mutageneze, možemo znatno ubrzati razvoj enantio selektivnih i termostabilnih enzima”, kaže Manfred Reetz. To je način na koji će on i njegove kolege nastaviti u daljnjem radu na konverziji enzima. Tada će kombinirati promjena od udaljene od vezujućeg mjesta sa reorganizacijom samog reakcijskog centra. “Nadamo se da će nam ovo omogućiti postizanje još veće optimizacije enzima,” kaže Manfred Reetz.

Izvor: esciencenews.com

 

Life is a sexually transmitted disease and there is a 100% mortality rate.

Ostavi komentar

Ostavi komentar

Vaša adresa e-pošte neće biti objavljena. Obavezna polja su označena sa *

Više u Biotehnologija

Popularno

Pratite nas na Fejsu

Na Vrh