De indrukwekkend hoge conversiepercentages van natuurlijke enzymen zijn deels het gevolg van het verhogen van de katalytische activiteit van een aantal geselecteerde aminozuurzijketens door nauwkeurige positionering in de eiwitbindende holte. Wetenschappers hebben nu aangetoond dat een dergelijke fijnafstemming ook mogelijk is voor "designer"-enzymen met onnatuurlijke katalytische aminozuren. In het journaal Angewandte Chemie , zij melden dat laboratorium "evolutie" van een designer enzym met een aniline zijketen leidde tot varianten met een significant hogere activiteit.

De snelheid en selectiviteit waarmee enzymen in de natuur omzettingen katalyseren zijn benijdenswaardig. Om onnatuurlijke reacties katalytisch te stimuleren, onderzoekers bootsen enzymen na met behulp van eiwitraamwerken die zijn gerealiseerd door computerondersteund eiwitontwerp. Verdere optimalisatie wordt bereikt door herhaling van een darwinistische cyclus:1) diversificatie door mutatie, 2) identificatie van verbeterde katalysatoren, en 3) amplificatie van de efficiëntere enzymvarianten. Dit zorgt voor de productie van designer enzymen met zeer hoge activiteiten.

Onderzoekers onder leiding van Clemens Mayer en Gerard Roelfes van de Rijksuniversiteit Groningen (Nederland) hebben nu aangetoond dat dit soort gerichte evolutie ook een methode is om de efficiëntie van een nieuwe klasse designer-enzymen te verbeteren:enzymen die een aminozuur bevatten dat door de natuur niet gebruikt.

Beginnend met een eiwit van Lactococcus lactis, een bacterie die wordt gebruikt bij de productie van zuivelproducten zoals kaas en karnemelk, de onderzoekers synthetiseerden een designerenzym dat een aminozuur bevat met een abiotische anilinezijketen (aminofenylalanine). Zoals gratis aniline, dit aminozuur katalyseert de reactie van aldehyden met hydrazinen of hydroxylaminen om hydrazonen of oximen te maken, respectievelijk.

Om de activiteit van het enzym te verhogen, de onderzoekers maakten enzymvarianten met mutaties op aminozuren nabij de anilinezijketen. Screening van ongeveer 400 mutanten leverde twee kandidaten op met een betere activiteit, waarvan er één werd onderworpen aan een tweede evolutionaire ronde. Dit leidde tot de ontdekking van meer gunstige mutaties. Om synergetische effecten te identificeren, meerdere gunstige mutaties werden gecombineerd om verdere varianten te produceren. Op deze manier, het was mogelijk om de conversiesnelheid van het enzym met een factor 90 te verhogen.

De onderzoekers benadrukken dat, verwant aan natuurlijke enzymen, "Deze drastische toename is gebaseerd op het versterken van de inherente katalytische activiteit van de anilinezijketen. We zijn van plan dit principe te gebruiken om verdere organische katalysatoren als zijketens in enzymen op te nemen, en om gerichte evolutie te gebruiken om deze om te zetten in zeer effectieve designer-enzymen die snel en efficiënt synthetisch belangrijke reacties kunnen uitvoeren die anders maar heel langzaam zouden verlopen."