211service.com
Enzymen vanaf nul opgebouwd
In een grote stap voorwaarts op het gebied van computationeel eiwitontwerp hebben wetenschappers vanaf het begin een handvol enzymen gebouwd die met succes een specifieke chemische reactie katalyseren. Deze eiwitten hebben geen natuurlijk voorkomende tegenhangers, en de reactie - die een door de mens gemaakte chemische stof afbreekt - heeft geen natuurlijke katalysator.
Katalysator creativiteit: Onderzoekers ontwikkelden een computationele techniek om enzymen helemaal opnieuw te bouwen. Een enzym genaamd retro-aldolase, waarvan een deel hierboven is weergegeven, is ontworpen om koolstof-koolstofbindingen in een niet-natuurlijk chemisch substraat te verbreken (model met gele en witte staaf). Het grijze gaas is de actieve plaats van het enzym, de geometrie is zorgvuldig ontworpen om het substraat op zijn plaats te houden. De oranje en groene stick-modellen geven componenten van het enzym aan die bijzonder belangrijk zijn om de reactie vooruit te helpen.
Het maakt duidelijk dat we een structuur kunnen berekenen die een reactie katalyseert waar die er eerder niet was, zegt Frances Arnold , hoogleraar chemische technologie en biochemie bij Caltech , die niet bij het onderzoek betrokken was. Arnold noemt nieuwe enzymen de heilige graal van computationeel eiwitontwerp. Het is een hele opgave om elk eiwit helemaal opnieuw te ontwerpen; het construeren van een eiwit dat een bepaalde functie kan vervullen, vereist veel meer verfijning.
David Baker en zijn collega's bij de universiteit van Washington gericht op een reactie die bepaalde bindingen tussen koolstofatomen zou verbreken. Het vermogen om enzymen te ontwerpen die koolstof-koolstofbindingen kunnen verbreken en maken, zou wetenschappers in staat kunnen stellen om milieutoxines af te breken, medicijnen te maken en nieuwe brandstoffen te creëren.
Zoals ze rapporteren in het journaal Wetenschap , Baker en zijn groep ontwierpen eerst hoe een ideale actieve site eruit zou zien voor de reactie. Een actieve plaats is een zak in een enzym waar de gekatalyseerde reactie plaatsvindt. Om zijn werk te doen, moet een actieve site een nauwkeurige geometrie en chemische samenstelling hebben, afgestemd op de reactie die het katalyseert. Sommige componenten houden de reagerende moleculen op hun plaats, terwijl andere deelnemen aan de chemische mechanismen van de reactie.
Nadat de onderzoekers de actieve site hadden berekend, gebruikten ze een nieuw ontwikkelde set algoritmen om eiwitten met zo'n site te modelleren. Elk ontworpen eiwit werd gerangschikt op basis van zijn vermogen om de reagerende chemicaliën te binden en ze in de juiste positie te houden.
De volgende stap was het daadwerkelijk synthetiseren van de geselecteerde eiwitten. De onderzoekers leidden gensequenties af voor 72 van de ontworpen enzymen, bestelden stukjes DNA die die genen bevatten en gebruikten bacteriën om de genen in eiwitten om te zetten. Elk eiwit werd vervolgens getest op zijn vermogen om de verbrekingsreactie van de koolstof-koolstofbinding te katalyseren.
Van de 72 geselecteerde eiwitten hielpen er 32 met succes bij de reactie. De meest efficiënte eiwitten versnelden de reactie tot 10.000 keer de snelheid zonder een enzym.
Hoewel dat een indrukwekkende prestatie is in vergelijking met eerdere pogingen tot enzymontwerp, verbleken de gesynthetiseerde enzymen in vergelijking met natuurlijk voorkomende. Het is helemaal niet goed, zegt Baker. Natuurlijk voorkomende enzymen kunnen de reactiesnelheid met veel, veel grotere hoeveelheden verhogen - tot een quadriljoen-voudig.
Een van onze onderzoeksproblemen is om erachter te komen wat er ontbreekt in onze ontwerpen die natuurlijk voorkomende enzymen hebben ontdekt, zegt Baker. In vervolgonderzoek heeft zijn groep dit probleem op twee manieren aangepakt: de computeralgoritmen verfijnen en de natuur vragen om in te grijpen waar de onderzoekers waren gebleven. Door hun minimaal functionele enzymen als evolutionair uitgangspunt te gebruiken, kunnen de onderzoekers gerichte evolutie gebruiken om efficiëntere katalysatoren te creëren.
In het verleden was gerichte evolutie een alternatieve benadering voor het creëren van gewenste enzymen. Maar Baker gelooft dat het kan worden gebruikt als aanvulling op computationele benaderingen. Computationeel ontwerp geeft onderzoekers een manier om eiwitten vanaf de grond op te bouwen, waardoor ze enzymen kunnen ontwikkelen voor reacties die geen natuurlijke tegenhanger hebben. Op die manier zouden we vrij zijn van de tirannie om iets in de natuur te moeten vinden om mee te beginnen, zegt Arnold, wiens werk sterk gericht was op gerichte evolutie.
Maar gerichte evolutie biedt een manier om die structurele tweaks aan te brengen die de algoritmen voor computationele ontwerpen nog niet geavanceerd genoeg zijn om aan te kunnen. Het is eigenlijk de golf van de toekomst, zegt Baker, omdat deze experimenten met gerichte evolutie veel subtielere dingen kunnen vastleggen dan we in de berekeningen kunnen vastleggen.
Baker's is niet de eerste groep die computationeel enzymontwerp aanpakt. Bijvoorbeeld, Caltech biochemicus Steve mag , een pionier op het gebied van computationeel eiwitontwerp, rapporteerde in 2001 de creatie van enzymen uit bestaande niet-enzymeiwitten. Maar Baker's benadering verschilt in die zin dat het geen bestaande eiwitten als uitgangspunt gebruikt - het is een echt de novo-ontwerp.
Arnold zegt dat de enzymen van Baker ook krachtiger zijn dan die van Mayo, maar dat het moeilijk is om precies vast te stellen hoeveel meer. Het is een ander soort enzym, dus je kunt appels en peren niet echt met elkaar vergelijken, zegt ze. Maar dit is een redelijk goede appel.