Nową metodę zwiększania aktywności enzymów biotechnologicznych zaproponował polsko-chiński zespół badawczy z udziałem naukowca z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Rozwiązanie znajdzie zastosowanie w biotechnologii oraz przemyśle.
Innowacyjne podejście do projektowania białkowych rusztowań, które umożliwiają hierarchiczną syntezę enzymów o zwiększonej stabilności i wydajności, zaprezentowali naukowcy z Instytutu Fizyki na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu oraz School of Biotechnology Jiangnan University w Wuxi (Chiny). Rusztowania białkowe zainspirowane zostały białkami nazywanymi gamma-prefoldinami. Badacze wykazali, że po ich pewnych modyfikacjach można otrzymać samoorganizujące się rusztowanie białkowe nazwane TERM ( thermophilic extension-resistant mutant), do którego przyczepić można enzymy.
Naturalne enzymy, choć doskonale dopasowane do swoich funkcji, często charakteryzują się niską rozpuszczalnością, ograniczoną termostabilnością oraz trudnościami w ekspresji. Te cechy stanowią istotną przeszkodę w ich szerokim zastosowaniu w biotechnologii oraz przemyśle – tłumaczy dr hab. Łukasz Pepłowski z Katedry Biofizyki UMK.
Hierarchiczny montaż enzymów na zaprojektowanym rusztowaniu białkowym odzwierciedla naturalne mechanizmy organizacji kompleksów wieloenzymatycznych, ale jednocześnie umożliwia znacznie większą kontrolę nad rozmieszczeniem poszczególnych jednostek.
Takie rozwiązanie otwiera nowe perspektywy w dziedzinie biokatalizy, syntezy chemicznej oraz zastosowań medycznych, gdzie wysoka efektywność i stabilność enzymów są kluczowe dla optymalizacji procesów przemysłowych – wyjaśnia naukowiec z UMK. – Wszechstronność prezentowanego rusztowania sprawia, że może ono zostać łatwo dostosowane do różnych systemów enzymatycznych, stanowiąc uniwersalną platformę dla budowy nowych, funkcjonalnych kompleksów białkowych.
Wszechstronne rusztowanie
Naukowcy udowodnili tę wszechstronność, umieszczając na rusztowaniu dwa całkowicie różne enzymy: xylanazę (z ang. xylanase), czyli małe jednodomenowe białko, katalizujące rozkład ksylanu – polisacharydu, który jest głównym składnikiem hemicelulozy w ścianach komórkowych roślin, oraz hydratazę nitrylową (NHaza, z ang. nitrile hydratase). Przekształca ona toksyczne nitryle do użytecznych amidów, wykorzystywanych w produkcji ubrań (poliakryloamid), paszy dla zwierząt i kosmetyków (nikotynamid, czyli witamina PP) oraz m.in. dodatków do farb i sorbentów wody. NHaza jest dużym enzymem złożonym z czterech podjednostek i zawiera niestandardowe centrum katalityczne – białko to jest przez to wyzwaniem, jeśli chodzi o poprawę jego właściwości.
W artykule opublikowanym na łamach „The Advanced Science” naukowcy szczegółowo opisali etapy projektowania – od doboru bazowych struktur wygenerowanych za pomocą narzędzia AlphaFold (za które w 2024 roku przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii), przez symulacje komputerowe dynamiki molekularnej i dokowania, aż po eksperymentalną walidację konstrukcji złożonych z rusztowania białkowego i umiejscowionym na nim enzymów.
Wyniki testów funkcjonalnych wykazały, że enzymy osadzone na rusztowaniu charakteryzują się wyższą aktywnością katalityczną i zwiększoną termostabilnością w porównaniu do ich naturalnych odpowiedników czy też wcześniejszych wariantów opracowanych metodami konwencjonalnymi – tłumaczy dr hab. Łukasz Pepłowski. – Metodami dynamiki molekularnej i dokowania wyjaśniono natomiast, dlaczego enzymy osadzone na rusztowaniu wykazują się zwiększoną aktywnością i termostabilnością. Kluczowe jest gęste upakowanie enzymów oraz wzajemne oddziaływania pomiędzy poszczególnymi podjednostkami enzymów, a także oddziaływanie enzymu z rusztowaniem, co powoduje, że taki enzym trudniej ulega denaturacji i częściej zachowuje swoją natywną, zdolną do pracy strukturę – dodaje.
Wyniki badań dają duże pole do ich zastosowań przede wszystkim w biotechnologii oraz przemyśle.
Żaneta Kopczyńska, źródło: portal.umk.pl
Świetna robota, taka stabilizacja może mieć wiele ciekawych zastosowań, np. ochronę endoprotez przed biofilmem. Pozostaje życzyć pomyślnej kontynuacji badań podstawowych, a także dobrej współpracy z komercyjnymi inwestorami.