Een groep onderzoekers van de Universiteit van Ottawa heeft gezocht naar manieren om enzymontwerpmethodologieën te verbeteren en publiceerde onlangs hun bevindingen in Natuurcommunicatie .

Enzymen worden in veel industriële en biotechnologische toepassingen gebruikt. Met hun talrijke gunstige eigenschappen, het zijn de meest efficiënte katalysatoren die we kennen - ze hebben zelfs de kracht om chemische reacties meer dan een miljard keer te versnellen. Maar aangezien het aantal natuurlijk voorkomende enzymactiviteiten beperkt is, ook het aantal aanvragen blijft beperkt. Hoewel onderzoekers erin zijn geslaagd kunstmatige enzymen te maken, hun katalytische efficiëntie bereikt niet hetzelfde niveau als dat van natuurlijke enzymen.

We spraken met senior auteur Roberto Chica, Hoogleraar bij de afdeling Scheikunde en Biomoleculaire Wetenschappen aan de Universiteit van Ottawa, om meer te weten te komen over zijn bevindingen.

Kunt u ons meer vertellen over kunstmatig ontworpen enzymen?

"In de afgelopen twintig jaar onderzoekers hebben met succes kunstmatige enzymen helemaal opnieuw ontworpen voor een verscheidenheid aan organische modeltransformaties. Dit werd gedaan met behulp van een procedure die 'computationeel enzymontwerp' wordt genoemd, waarbij een katalytische site rekenkundig werd gebouwd op een reeds bestaande eiwitstructuur zonder de beoogde katalytische activiteit.

Hoewel succesvol, deze benadering heeft uitsluitend kunstmatige enzymen opgeleverd die een katalytische efficiëntie vertonen die orden van grootte lager is dan die van natuurlijke enzymen, die daaropvolgende optimalisatie vereisen met behulp van wat 'gerichte evolutie' wordt genoemd om de activiteit te verbeteren. Gerichte evolutie is een proces waarbij willekeurige mutaties in een eiwit worden geïntroduceerd om een ​​grote bibliotheek van gemuteerde enzymen te genereren, die vervolgens worden gescreend om gunstige mutaties te identificeren. Het vereist vaak meerdere rondes van willekeurige mutagenese en screening om de activiteit aanzienlijk te verhogen."

Hoe verhoudt uw onderzoek zich tot gerichte evolutie?

"In ons werk we onthullen hoe gerichte evolutie de katalytische efficiëntie van een computationeel ontworpen biokatalysator met ongeveer 1000-voudig verbetert door het ensemble van structurele substaten die het enzym kan bemonsteren af ​​te stemmen op die welke katalytisch competent zijn.

Op basis van deze observaties, we ontwikkelen een kunstmatige biokatalysator met een katalytische efficiëntie die vergelijkbaar is met die van het gemiddelde natuurlijke enzym."

Wat is de impactvolle ontdekking?

"We hebben een nieuwe computationele procedure voor enzymontwerp ontwikkeld die nauwkeuriger is dan eerdere methoden, omdat het de intrinsieke flexibiliteit van de eiwitsteiger die als sjabloon voor ontwerp wordt gebruikt, kan benaderen."

Waarom is dit belangrijk?

"Dit is belangrijk omdat eerdere methoden gericht waren op het creëren van een stabiele structuur die de inherente dynamiek in natuurlijke enzymen negeert, wat cruciaal is voor hun functie (d.w.z. enzymen moeten "bewegen" om efficiënte katalysatoren te zijn).

Eerder, het was niet bekend of een kunstmatig enzym dat een katalytische efficiëntie vertoont die vergelijkbaar is met die van een natuurlijk enzym, computationeel kan worden ontworpen. We laten zien dat dit mogelijk is, maar alleen door een structureel ensemble van eiwittemplates te gebruiken die conformationele flexibiliteit benaderen in plaats van een enkele template zoals eerder gedaan.

De resultaten die in ons manuscript worden gepresenteerd, suggereren dat computationeel enzymontwerp met behulp van een structureel ensemble de noodzaak van gerichte evolutie zou kunnen voorkomen door katalytisch competente substaten tijdens de ontwerpprocedure te laten bemonsteren."

Wat zijn de mogelijke toepassingen van uw onderzoek?

"Als we konden ontwerpen, vanaf het begin, enzymen die elke chemische doelreactie met hoge efficiëntie kunnen katalyseren, het zou de deur openen naar zeer waardevolle biotechnologieën die momenteel niet toegankelijk zijn met natuurlijke enzymen."

Is er iets dat je zou willen toevoegen?

Ja, onderzoek vond plaats van 2018 tot 2020, aan de Universiteit van Ottawa en de Universiteit van Californië, San Francisco.

Het artikel "Ensemble-based enzyme design can recapitulate the effects of laboratorium gestuurde evolutie in silico" werd onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie .