Ученые разработали алгоритм для создания улучшенных ферментов

Ученые разработали алгоритм для создания улучшенных ферментов

Химическая структура тиаминпирофосфата и белковая структура транскетолазы. Кофактор тиаминпирофосфата выделен желтым цветом, а субстрат ксилулозо-5-фосфата – черным. Фото: Томас Шафи/Википедия.

Ученые создали прототип нового метода «рациональной разработки» ов для повышения их производительности. Они разработали , который учитывает историю эволюции фермента и определяет места, где могут возникнуть мутации с высокой вероятностью достижения функциональных улучшений.


Их работа, опубликованная сегодня в журнале Природные коммуникации— может иметь значительные, широкомасштабные последствия для целого ряда отраслей: от производства продуктов питания до здоровья человека.

Ферменты играют центральную роль в жизни и являются ключом к разработке инновационных лекарств и инструментов для решения проблем общества. Они развивались на протяжении миллиардов лет посредством изменений в аминокислотной последовательности, лежащей в основе их трехмерной структуры. Подобно бусам на нитке, каждый фермент состоит из последовательности из нескольких сотен аминокислот, которая кодирует его трехмерную форму.

Поскольку в каждой позиции может находиться одна из 20 аминокислотных «бусинок», в природе возможно огромное разнообразие последовательностей. При формировании своей трехмерной формы ферменты выполняют определенную функцию, такую ​​как переваривание пищевых белков, преобразование химической энергии в силу в наших мышцах и уничтожение бактерий или вирусов, проникающих в клетки. Если вы измените последовательность, вы можете нарушить трехмерную форму, и это обычно меняет функциональность фермента, иногда делая его совершенно неэффективным.

Поиск способов улучшения активности ферментов будет чрезвычайно полезен для многих промышленных применений, а с использованием современных инструментов молекулярной биологии можно просто и экономически эффективно вносить изменения в аминокислотные последовательности, чтобы способствовать улучшению их эффективности. Однако случайное введение всего лишь трех или четырех изменений в последовательность может привести к резкой потере их активности.



Здесь ученые сообщают о новой многообещающей стратегии рациональной разработки фермента под названием «бета-лактамазы». Вместо того чтобы вводить случайные мутации методом «распылителя», исследователи из Института Броуда и Гарвардской медицинской школы разработали алгоритм, учитывающий историю эволюции фермента.

«В основе этого нового алгоритма лежит оценочная функция, которая использует тысячи последовательностей бета-лактамаз из множества различных организмов. Вместо нескольких случайных изменений было создано до 84 мутаций в последовательности из 280 для улучшения функциональных характеристик». сказал доктор Амир Хан, доцент Школы биохимии и иммунологии Тринити-колледжа Дублина, один из соавторов исследования.

«И что поразительно, недавно разработанные ферменты обладали улучшенной активностью и стабильностью при более высоких температурах».

Ева Нэпьер, доктор философии второго курса. Студент Тринити-колледжа Дублина определил трехмерную экспериментальную структуру недавно разработанной бета-лактамазы, используя метод, называемый рентгеновской кристаллографией.

Ее 3D-карта показала, что, несмотря на изменения в 30% аминокислот, фермент имел структуру, идентичную бета-лактамазе дикого типа. Оно также показало, как скоординированные изменения в аминокислотах, вносимые одновременно, могут эффективно стабилизировать трехмерную структуру — в отличие от отдельных изменений, которые обычно нарушают структуру фермента.

Ева Нэпьер сказала: «В целом, эти исследования показывают, что белки могут быть сконструированы для улучшения активности путем резких «прыжков» в новое пространство последовательностей.

«Работа имеет широкое применение в промышленности, в процессах, требующих ферментов для производства продуктов питания, ферментов, разлагающих пластик, а также тех, которые имеют отношение к здоровью человека и болезням, поэтому мы очень рады будущим возможностям».

Больше информации:
Природные коммуникации (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49119-x

Предоставлено Тринити-колледжем Дублина.

Цитирование: Ученые разрабатывают алгоритм для разработки улучшенных ферментов (20 июня 2024 г.), получено 20 июня 2024 г. с https://phys.org/news/2024-06-scientists-algorithm-enzymes.html.

Этот документ защищен авторским правом. За исключением любых добросовестных сделок в целях частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержимое предоставлено исключительно в информационных целях.