Οι ερευνητές αναπτύσσουν μια μέθοδο που δίνει στα ένζυμα την ικανότητα να καταλύουν αντιδράσεις από το νέο στη φύση


εργαστήριο

Πίστωση: Δημόσιος Τομέας Pixabay/CC0

Τα ένζυμα είναι τα καταλυτικά άλογα εργασίας της βιολογίας, που συνδέουν τα μόρια μεταξύ τους, τα χωρίζουν και τα επαναδιαμορφώνουν σε διαδικασίες ζωτικής σημασίας για τα πάντα, από την πέψη μέχρι την αναπνοή. Η διαθεσιμότητα, η αποτελεσματικότητα και η ειδικότητά τους τα έχουν κάνει από καιρό δημοφιλή για αντιδράσεις εκτός βιολογικών συστημάτων, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που εμπλέκονται στη συντήρηση τροφίμων, απορρυπαντικά και διαγνωστικά ασθενειών.


«Τα ένζυμα είναι οι προνομιούχοι καταλύτες της φύσης», είπε ο επίκουρος καθηγητής χημείας στο UC Santa Barbara Yang Yang. «Μπορούν να καταλύσουν αντιδράσεις με εκπληκτική επιλεκτικότητα». Οι προσπάθειες των τελευταίων τριών δεκαετιών οδήγησαν επίσης στην ανάπτυξη προσαρμοσμένων ενζύμων—ένζυμα που εξελίχθηκαν γρήγορα για κατευθυνόμενους σκοπούς, ώστε να αλληλεπιδρούν με συγκεκριμένα μόρια, με αποτέλεσμα την υψηλή απόδοση των επιθυμητών προϊόντων με απαράμιλλη επιλεκτικότητα.

Ωστόσο, πρόσθεσε ο Yang, οι αντιδράσεις που μπορούν να επιτρέψουν τα ένζυμα είναι σχετικά περιορισμένες – ένα κάπως μικρό ρεπερτόριο για την ισχυρή τους ικανότητα να παράγουν αποτελεσματικά προϊόντα με χαμηλότερο κόστος υλικού, ενέργειας και περιβάλλοντος.

Για να γεφυρώσουν αυτό το χάσμα και να συγχωνεύσουν τα καλύτερα και των δύο κόσμων – ευελιξία και επιλεκτικότητα – ο Yang και η ερευνητική του ομάδα ανέπτυξαν μια μέθοδο με την οποία ορισμένα ένζυμα μπορούν να βοηθήσουν στη διευκόλυνση χρήσιμων αντιδράσεων που δεν είχαν παρατηρηθεί ποτέ προηγουμένως στον βιολογικό κόσμο, διευρύνοντας έτσι το ρεπερτόριό τους και ανοίγοντας δυνατότητες για διεργασίες που δεν είχαν πραγματοποιηθεί ποτέ πριν από ένζυμα.

«Εάν μπορούμε να αναπτύξουμε αυτές τις αποκαλούμενες ενζυματικές δραστηριότητες καινούργιες στη φύση, τότε έχουμε πολύ ισχυρούς βιοκαταλύτες για φαρμακευτικές και αγροχημικές βιομηχανίες», είπε ο Yang, ο οποίος με συναδέλφους του στο UC Santa Barbara και στο Πανεπιστήμιο του Πίτσμπουργκ συνέταξε μια εργασία που εμφανίζεται στο η εφημερίδα Επιστήμη.

τρισδιάστατη χημεία

Η στερεοχημεία (επίσης γνωστή ως τρισδιάστατη χημεία) είναι απαραίτητη για τον έλεγχο της βιοδραστικότητας των μικρών μορίων φαρμάκων. Τα περισσότερα βιομακρομόρια, συμπεριλαμβανομένων των DNA και των πρωτεϊνών, είναι χειρόμορφα, που σημαίνει ότι έχουν ασύμμετρη δομή.

«Είναι ακριβώς όπως το αριστερό και το δεξί σου χέρι: Μοιάζουν ίδια, αλλά δεν είναι υπερτιθέμενα, που σημαίνει ότι είναι χειρόμορφα», εξήγησε ο Yang. “Για να αλληλεπιδράσουν αποτελεσματικά με αυτά τα χειρόμορφα βιομακρομόρια, τα φάρμακα μικρών μορίων πρέπει να σχεδιάζονται με συγκεκριμένη στερεοχημεία. Συχνά, ένα εναντιομερές ενός χειρόμορφου μορίου φαρμάκου είναι πολύ ισχυρό, ενώ το άλλο εναντιομερές είναι αναποτελεσματικό ή ακόμη και δηλητηριώδες.”

Ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για τη δημιουργία τέτοιων πολύτιμων χειρόμορφων μορίων βασίζεται στην ασύμμετρη κατάλυση, είπε, μια διαδικασία όπου μια προσαρμοσμένη παράγει επιλεκτικά ένα εναντιομερές (μη υπερτιθέμενο χειρόμορφο μόριο) αντί για ένα άλλο. Δυστυχώς, εξακολουθούν να υπάρχουν πολλές προκλήσεις στον τομέα της ασύμμετρης κατάλυσης. Συγκεκριμένα, μια κατηγορία ευρέως χρησιμοποιούμενων αντιδράσεων – συγκεκριμένα ριζικές αντιδράσεις ή αντιδράσεις που περιλαμβάνουν ενδιάμεσα ανοιχτού κελύφους – δεν έχουν ακόμη υποκύψει σε ασύμμετρη κατάλυση. Αυτό το πρόβλημα διέφευγε εδώ και πολύ καιρό τους συνθετικούς χημικούς.

«Οι οργανικές ρίζες είναι πολύ κοινές και εξαιρετικά ενεργές ενδιάμεσες αντιδράσεις στη συνθετική χημεία», είπε ο Yang. “Ωστόσο, είναι γνωστό ότι ο έλεγχος της στερεοχημείας αυτών των αντιδράσεων είναι πολύ, πολύ δύσκολος.”

Υπάρχουν δύο προβλήματα που προκύπτουν, εξήγησε. Το ένα είναι ότι η ρίζα, αφού δημιουργηθεί, συνήθως δεν αλληλεπιδρά στενά με τον καταλύτη.

«Επομένως, δεν υπάρχει τρόπος να επιβληθεί ο στερεοέλεγχος σε αυτούς τους σχηματισμούς δεσμών με τη μεσολάβηση ριζών», είπε.

Δεύτερον, υπάρχει συχνά η αντιστάθμιση δραστηριότητας-επιλεκτικότητας.

“Εάν έχετε ένα ιδιαίτερα ενεργό είδος, τότε θα είναι σχετικά δύσκολο για εσάς να ελέγξετε την επιλεκτικότητα των αντιδράσεων που περιλαμβάνουν αυτά τα ενδιάμεσα. Άρα συνήθως υπάρχει μια αντιστάθμιση”, είπε ο Yang.

Η λύση? Κατευθυνόμενη εξέλιξη-εξέλιξε το για να μπορέσει να χαλιναγωγήσει το ριζοσπαστικό.

Παίρνοντας το σύνθημά τους από τη βραβευμένη με Νόμπελ χημικό μηχανικό του Caltech το 2018 Φράνσις Άρνολντ, που ήταν ο μεταδιδακτορικός σύμβουλος του Yang, η ομάδα διεξήγαγε επαναληπτικούς γύρους εξέλιξης και εξέτασης των κυτοχρωμάτων P450. Η υπεροικογένεια των μεταλλοενζύμων βρίσκεται σε όλα τα βασίλεια της ζωής που περιέχουν αίμη – ένα μόριο που περιέχει σίδηρο – που είναι απαραίτητο για την κατάλυση.

“Η κατευθυνόμενη εξέλιξη χρησιμοποιεί αυτούς τους γύρους μετάλλαξης και ελέγχου για να βελτιστοποιήσει τις λειτουργίες των ενζύμων”, εξήγησε ο Yang. «Σε αυτή τη διαδικασία, δημιουργούμε μια τεράστια βιβλιοθήκη παραλλαγών ενζύμων με χειρισμό του DNA». Με μια βιβλιοθήκη DNA για αντιδράσεις-στόχους, οι ερευνητές μπορούν να εκφράσουν και να ελέγξουν τα μεταλλαγμένα πρωτεϊνών τους για να βοηθήσουν στην αναγνώριση υποσχόμενων ενζυμικών καταλυτών. Το βελτιωμένο ένζυμο γίνεται τότε το γονικό στον επόμενο γύρο μηχανικής. Με αυτόν τον τρόπο, μέσω επαναληπτικών κύκλων μετάλλαξης και διαλογής, επιτυγχάνεται η βέλτιστη ενζυμική δραστηριότητα και εκλεκτικότητα.

Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, οι ερευνητές μπόρεσαν να επαναχρησιμοποιήσουν ένα ένζυμο στη διεξαγωγή μιας «αφύσικης βιοκαταλυτικής , συγκεκριμένα η στερεοεκλεκτική κυκλοποίηση ριζών μεταφοράς ατόμων», η συγχώνευση της δύναμης της συνθετικής κατάλυσης και της φύσης ελέγχου προσφέρει με την ενζυματική κατάλυση.

Αυτή η νέα ικανότητα ανοίγει πολλές δυνατότητες, συμπεριλαμβανομένης μιας ευρύτερης ποικιλίας που μπορούν να δράσουν από πρόσφατα εξελιγμένα ένζυμα.

«Ο γενικός στόχος είναι να εφαρμόσουμε τους βιοκαταλύτες που αναπτύσσουμε στη φαρμακευτική και αγροχημική βιομηχανία», είπε ο Yang. «Τελικά, με τα νέα εργαλεία θα μπορέσουμε να αναπτύξουμε πολύτιμα φάρμακα και ζιζανιοκτόνα που θα είναι χρήσιμα για την κοινωνία μας».


Οι ερευνητές έχουν πρόσβαση και στα δύο εναντιομερή μεταβάλλοντας τον χρόνο αντίδρασης


Περισσότερες πληροφορίες:
Qi Zhou et al, Στερεοαποκλίνουσα ριζική κυκλοποίηση μεταφοράς ατόμων από μηχανικά κυτοχρώματα P450, Επιστήμη (2021). DOI: 10.1126/science.abk1603

Παραπομπή: Οι ερευνητές αναπτύσσουν μια μέθοδο που δίνει στα ένζυμα την ικανότητα να καταλύουν αντιδράσεις από τη νέα φύση (2022, 6 Ιανουαρίου) που ανακτήθηκε στις 6 Ιανουαρίου 2022 από τη https://phys.org/news/2022-01-method-enzymes-ability-catalyze -new-to-nature.html

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Εκτός από κάθε δίκαιη συναλλαγή για σκοπούς ιδιωτικής μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν μπορεί να αναπαραχθεί χωρίς τη γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημερωτικούς σκοπούς.



Source link

By koutsobolis

koutsobolis.com

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *