Eiwitten hebben de kracht om biochemische reacties in het lichaam te stimuleren.

Zonder de hulp van soorten eiwitten die enzymen worden genoemd, de reactie die DNA opbouwt kan meer dan 130 vergen, 000 jaar te voltooien. Enzymen verkorten die tijd tot slechts enkele milliseconden.

Om chemische reacties op gang te brengen, veel eiwitten werken samen met kleinere moleculen of metalen die cofactoren worden genoemd. Chemici willen eiwitten ontwerpen die binden aan niet-biologische cofactoren om chemische reacties te versnellen die in de natuur niet voorkomen. Maar eerst, ze moeten uitzoeken hoe ze door de mens gemaakte eiwitten kunnen maken die zich op precies de juiste manier aan nieuwe cofactoren hechten, en dat is geen gemakkelijke opgave.

Een team van chemici van Duke en UC San Francisco is de eerste die deze eiwitontwerppuzzel oplost. Het team creëerde een synthetisch eiwit dat een niet-biologische katalysator stevig bindt, een type molecuul genaamd porfyrine dat in staat is elektronen van andere moleculen te stelen wanneer het licht absorbeert.

"Als je door de mens gemaakte katalysatoren met eiwitten zou kunnen combineren, zou dat heel groot zijn in de chemie, want dan zou je de kracht van een enzym kunnen combineren met die van een reactie die niet in de natuur voorkomt, " zei voormalig Duke-afgestudeerde student Nicholas Polizzi, die nu een postdoctoraal onderzoeker is in het laboratorium van William DeGrado aan de UCSF.

"We waren in staat om de ontwerpcriteria te achterhalen die nodig zijn om dat porfyrine in een eiwit te plaatsen met een zeer hoge nauwkeurigheid, "Zei Polizzi. "Dat was echt een grote opstap om nieuwe eiwit-cofactorcombinaties te kunnen ontwerpen die niet in de natuur voorkomen."

Eiwitten zijn gemaakt van ketens van honderden of duizenden kleinere aminozuren die draaien en lussen in complexe 3D-vormen die in elkaar kunnen grijpen met andere moleculen, zoals stukjes van een legpuzzel. Om chemische reacties te katalyseren, eiwit-cofactorcombinaties houden twee of meer moleculen vast in precies gevormde holtes die de moleculen op precies de juiste posities houden, en zorgen voor de juiste omgeving, om een ​​chemische reactie te laten plaatsvinden.

Miljoenen jaren van evolutie hebben eiwitten gecreëerd die zich in de vormen vouwen die specifieke cofactoren stevig vastgrijpen en de perfecte omgeving bieden om chemische reacties te katalyseren.

Al meer dan 25 jaar, scheikundigen hebben wat ze weten over eiwitvouwing gebruikt om synthetische aminozuursequenties te ontwerpen die zich in bruikbare vormen verdraaien. Maar tot nu toe, ze zijn er niet in geslaagd een eiwit te ontwerpen dat een niet-biologische cofactor bindt met de precisie die nodig is om complexe nieuwe chemische reacties aan te sturen.

Polizzi zei dat dit kan zijn omdat deze ontwerpen zich voornamelijk richtten op de "bindingsplaats" waar cofactoren en reagerende moleculen in het eiwit passen, terwijl de rest van de structuur wordt genegeerd. "Wat ik anders deed, is dat ik in wezen het hele inwendige van eiwit beschouwde als de bindingsplaats voor het porfyrine, in tegenstelling tot slechts een paar aminozuren die de porfyrine raken, ' zei Polizzi.

Om te begrijpen hoe dit werkt, je kunt het eiwit zien als de mond van een alligator, zei Michael Therien, William R. Kenan Jr. Professor in de chemie aan Duke. Het eiwit klampt zich vast aan een cofactor op dezelfde manier als een alligator zijn voortanden gebruikt om tijdens het avondeten te kauwen. Maar om de voortanden een stevige grip te geven, de kaak en de achterste tanden moeten ook correct zijn ontworpen.

"Het nieuwe concept hier is dat het niet-bindende gebied van het eiwit in een vorm wordt gehouden waardoor het bindende gebied kan werken, ' zei Therien.

"We noemden het eiwit 'gator' in het lab, ' zei Polizzi.

De kaken van het gator-eiwit klemmen de porfyrine-cofactor zo hard vast dat de hele structuur te rigide is om een ​​reactie te katalyseren. zei Polizzi. Maar met een paar aanpassingen om de structuur losser te maken, hij denkt dat hij het kan laten werken.

"Bij deze reactie vaak heb je een beetje bewegingsruimte in het eiwit nodig om te bewegen. En er was geen speelruimte in ons eiwit, alles past te perfect, ' zei Polizzi.