Vědci objevili, jak proměnit nefunkční proteiny v aktivní enzymy: Klíč k udržitelné chemii

Tým vědců z Univerzity v Bayreuthu ve spolupráci s kolegy z Ottawské univerzity dosáhl významného průlomu v biotechnologiích. Vyvinuli novou metodu nazvanou CANVAS, která umožňuje transformovat nefunkční proteinové struktury na vysoce aktivní enzymy.

Tým vědců z Univerzity v Bayreuthu ve spolupráci s kolegy z Ottawské univerzity dosáhl významného průlomu v biotechnologiích. Vyvinuli novou metodu nazvanou CANVAS, která umožňuje transformovat nefunkční proteinové struktury na vysoce aktivní enzymy. Jejich zjištění byla publikována v prestižním časopise Nature Chemical Biology.

Enzymy jsou považovány za základní stavební kameny udržitelné chemie, jelikož fungují jako biologické katalyzátory, které urychlují reakce a provádějí je s vysokou specifičností. Přestože v oblasti proteinového designu došlo k velkým pokrokům, vytvoření umělých enzymů od základu zůstávalo dosud velkou výzvou. Přírodní enzymy se v průběhu evoluce vyvinuly do široké škály proteinových skládání, přičemž struktura zvaná TIM barrel fold hraje významnou roli a je přítomna v přibližně 10 % všech známých enzymů. Dříve navržené umělé TIM barely, takzvané de novo proteiny, sice napodobovaly strukturu svých přírodních protějšků, ale postrádaly jakoukoli enzymatickou aktivitu, což je činilo nepoužitelnými pro biologické aplikace.

Výzkumný tým pod vedením profesorky Birte Höcker z Bayreuthu a profesora Roberta Chicy z Ottawy tento problém úspěšně vyřešil. Pomocí metody CANVAS, která kombinuje různé počítačové přístupy, se jim podařilo specificky rozšířit umělé TIM barely o na míru šité aktivní místo. Toto nově vložené aktivní místo propůjčilo dříve nefunkčním enzymům výjimečně vysokou měřitelnou aktivitu.

Jako testovací reakci pro nové enzymy vědci zvolili Kempovu eliminaci, klasickou nenaturální reakci v proteinovém designu, která je snadno měřitelná. Již v prvním kole designu dosáhli s upraveným enzymem KempTIM1 mimořádně vysoké aktivity. Jeho katalytická účinnost, která popisuje „kvalitu“ enzymu, byla sedmkrát lepší než u srovnatelných enzymů v jiných nedávných publikacích, a to bez jakékékoli další experimentální optimalizace. Následné optimalizační kroky vedly k vytvoření nové varianty KempTIM4b, která aktivitu KempTIM1 ještě překonává.

Tento výzkum ukazuje, že je možné využít de novo proteiny jako výchozí bod pro tvorbu nových enzymů, čímž se rozšiřuje stávající repertoár dostupných enzymů. Otevírá tak nové možnosti v biotechnologii a zelené chemii, neboť umožňuje navrhovat nové, na míru šité proteiny pro specifické reakce a přispívá k udržitelnější budoucnosti.