Enzymactiviteit wordt bepaald door de structuur van een bepaald gebied van een eiwit dat de actieve plaats wordt genoemd. Het genereren van volledig nieuwe actieve sites die in staat zijn tot enzymkatalyse is, bediscussieerbaar, een van de meest fundamentele onopgeloste problemen in de moleculaire biologie.

Rationele en moderne ontwerpbenaderingen voor dit probleem zijn ontwikkeld met behulp van complexe rekenmethoden, maar zonder sluitend resultaat. Inderdaad, eiwit engineering studies suggereren vaak dat de opkomst van volledig nieuwe enzym actieve plaatsen hoogst onwaarschijnlijk is.

Vele jaren geleden, Roy Jensen (momenteel verbonden aan het University of Kansas Medical Center) stelde voor dat oer-enzymen in staat waren een diversiteit aan reacties te katalyseren. Op basis van dit werk, een multi-institutioneel samenwerkingsverband van wetenschappers onderzocht en testte deze begrippen met behulp van herrezen Precambrische β-lactamasen als steigers voor de engineering van volledig nieuwe actieve sites. Precambrische β-lactamasen zijn eiwitten van ongeveer 3 miljard jaar oud. In principe, de wetenschappers brachten deze oude eiwitten weer tot leven zodat ze kunnen worden bestudeerd om beter te begrijpen hoe complexiteit in soorten ontstaat.

Hoe is het mogelijk om voorouderlijke eiwitten weer tot leven te wekken? Eiwitten zijn gemaakt van verschillende combinaties van aminozuurbouwstenen, met een bijna eindeloze verscheidenheid aan complexiteit en functie. Onderzoekers hebben grote databases met eiwitsequenties samengesteld. Door de sequenties van vandaag met elkaar te vergelijken binnen een evolutionair kader, wetenschappers kunnen redelijkerwijs de sequentie afleiden van een voorouderlijk eiwit waarvan de moderne versies afstammen met behulp van modellen van sequentie-evolutie.

"De eigenschappen van deze voorouderlijke eiwitten (Precambrische β-lactamasen) verlenen een hoge structurele stabiliteit en promiscue enzymatische activiteit, wat betekent dat ze in staat zijn te reageren met een verscheidenheid aan stoffen. Deze eigenschappen ondersteunen het biotechnologische potentieel van de opstanding van Precambrische eiwitten, omdat zowel hoge stabiliteit als verbeterde promiscuïteit wenselijke kenmerken zijn in eiwitsteigers voor laboratoriumgerichte evolutie en moleculair ontwerp, " legt eerste auteur Valeria A. Risso van de Universiteit van Granada uit.

Met behulp van deze herrezen Precambrische eiwitten, het team toonde aan dat een nieuwe actieve site kan worden gegenereerd door een enkele hydrofobe tot ioniseerbare aminozuurvervanging die een gedeeltelijk begraven groep genereert met verstoorde fysisch-chemische eigenschappen. "We hebben ontdekt dat een minimalistisch ontwerp om een ​​de novo-activiteit te introduceren (katalyse van de Kemp-eliminatie, een gebruikelijke maatstaf in de novo enzymontwerp) faalt wanneer uitgevoerd op moderne β-lactamasen, maar is zeer succesvol bij het gebruik van de steigers van hyperstabiele/promiscue Precambrische β-lactamasen, " zegt Eric A. Gaucher van het Instituut voor Bioengineering en Biowetenschappen, Georgia Instituut van Technologie.

Voor hun experiment het team gebruikte drie structurele biologiebundellijnen bij de ESRF, de Europese Synchrotron in Grenoble (Frankrijk):ID29, ID23-1, en de volledig geautomatiseerde "hands-off" beamline MASSIF-1, evenals de Xaloc-bundellijn bij Alba, de Spaanse synchrotron. "Driedimensionale structurele informatie afgeleid van de gegevens verkregen bij de ESRF was essentieel voor de interpretatie van het werk, omdat het leidde tot een structuur met hoge resolutie van de nieuwe actieve site en overtuigend bewijs leverde van de rol van eiwitreorganisatie bij het ontstaan ​​van de nieuwe functie, " legt Jose A. Gavira uit, Corresponderende auteur, van de Universiteit van Granada.

Deze studie bevestigt het potentieel van voorouderlijke reconstructie als een hulpmiddel voor eiwitmanipulatie. "We leveren experimenteel en computationeel bewijs dat in het laboratorium opgewekte voorouderlijke enzymen veel betere steigers zullen vormen voor nieuwe functie-engineering vanwege de hoge stabiliteits- en dynamische eigenschappen, " zegt Jose M. Sanchez-Ruiz.

De innovatieve combinatie van bioinformatica, computationele biologie, structurele biologie en biofysica stelden onderzoekers in staat om diep in de evolutionaire tijd te graven, en het verloop van het evolutionaire potentieel van een enzym veranderen. "Meer leren over het oorspronkelijke leven, en hoe het kan worden gemanipuleerd, zal veel nieuwe wegen openen voor de wetenschap en licht werpen op de puzzel van hoe complexe biologische systemen evolueren op het meest fundamentele moleculaire niveau, " zegt corresponderende auteur Lynn Kamerlin van de afdeling Cel- en Moleculaire Biologie, Universiteit van Uppsala. Deze studie is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .