211service.com
Enzymer byggda från grunden
Som ett stort steg framåt för design av beräkningsprotein har forskare byggt från grunden en handfull enzymer som framgångsrikt katalyserar en specifik kemisk reaktion. Dessa proteiner har inga naturligt förekommande motsvarigheter, och reaktionen – som bryter ner en konstgjord kemikalie – har ingen naturlig katalysator.
Katalysator kreativitet: Forskare utvecklade en beräkningsteknik för att bygga enzymer från grunden. Ett enzym som kallas retro-aldolas, varav en del visas ovan, designades för att bryta kol-kolbindningar i ett icke-naturligt kemiskt substrat (gul och vit stickmodell). Det grå nätet är enzymets aktiva plats, dess geometri är noggrant utformad för att hålla substratet på plats. De orange och gröna stickmodellerna indikerar komponenter i enzymet som är särskilt viktiga för att driva reaktionen framåt.
Det gör det klart att vi kan beräkna en struktur som kommer att katalysera en reaktion där det inte fanns någon tidigare, säger Frances Arnold , professor i kemiteknik och biokemi vid Caltech , som inte var involverad i forskningen. Arnold kallar nya enzymer för beräkningsproteindesignens heliga graal. Att designa vilket protein som helst från grunden är svårt; Att konstruera ett protein som kan utföra en viss funktion kräver mycket mer sofistikering.
David Baker och hans kollegor på University of Washington fokuserat på en reaktion som skulle bryta vissa bindningar mellan kolatomer. Förmågan att designa enzymer som kan bryta och skapa kol-kol-bindningar kan potentiellt göra det möjligt för forskare att bryta ner miljögifter, tillverka läkemedel och skapa nya bränslen.
Som de rapporterar i journalen Vetenskap , designade Baker och hans grupp först hur en idealisk aktiv webbplats skulle se ut för reaktionen. Ett aktivt ställe är en ficka i ett enzym där den katalyserade reaktionen äger rum. För att göra sitt jobb måste en aktiv plats ha exakt geometri och kemisk sammansättning, skräddarsydd för den reaktion den katalyserar. Vissa komponenter håller de reagerande molekylerna på plats, medan andra deltar i reaktionens kemiska mekanismer.
När forskarna väl beräknade den aktiva platsen använde de en nyutvecklad uppsättning algoritmer för att modellera proteiner som har en sådan plats. Varje designat protein rangordnades efter dess förmåga att binda de reagerande kemikalierna och hålla dem i rätt position.
Nästa steg var att faktiskt syntetisera de utvalda proteinerna. Forskarna härledde gensekvenser för 72 av de designade enzymerna, beställde DNA-bitar som innehöll dessa gener och använde bakterier för att förvandla generna till proteiner. Varje protein testades sedan för dess förmåga att katalysera kol-kolbindningsbrytningsreaktionen.
Av de 72 utvalda proteinerna hjälpte 32 till reaktionen. De mest effektiva proteinerna påskyndade reaktionen till 10 000 gånger hastigheten utan ett enzym.
Även om det är en imponerande bedrift jämfört med tidigare försök med enzymdesign, bleknar de syntetiserade enzymerna i jämförelse med naturligt förekommande. Det är inte alls bra, säger Baker. Naturligt förekommande enzymer kan öka reaktionshastigheten med mycket, mycket större mängder - så mycket som en fyrbiljon gånger.
Ett av våra forskningsproblem är att ta reda på vad som saknas i våra konstruktioner som naturligt förekommande enzymer har listat ut, säger Baker. I uppföljningsstudier har hans grupp tagit två tillvägagångssätt på detta problem: att förfina sina datoralgoritmer och be naturen att kliva in där forskarna slutade. Genom att använda deras minimalt funktionella enzymer som evolutionära utgångspunkter, kan forskarna använda riktad evolution för att skapa effektivare katalysatorer.
Tidigare har riktad evolution varit ett alternativt tillvägagångssätt för att skapa önskvärda enzymer. Men Baker menar att det kan användas som ett komplement till beräkningsmetoder. Beräkningsdesign ger forskare ett sätt att bygga proteiner från grunden, vilket gör att de kan konstruera enzymer för reaktioner som inte har någon naturlig motsvarighet. På så sätt skulle vi vara fria från tyranni att behöva hitta något i naturen att utgå ifrån, säger Arnold, vars arbete har fokuserat mycket på riktad evolution.
Men riktad evolution ger ett sätt att göra de strukturella justeringar som algoritmerna för beräkningsdesign ännu inte är sofistikerade nog att hantera. Det är faktiskt framtidens våg, säger Baker, eftersom dessa experiment med riktad evolution kan fånga mycket mer subtila saker än vi kan fånga i beräkningarna.
Baker's är inte den första gruppen som tar itu med beräkningsenzymdesign. Till exempel Caltech biokemist Steve kanske , en pionjär inom beräkningsproteindesign, rapporterade skapandet av enzymer från existerande icke-enzymproteiner 2001. Men Bakers tillvägagångssätt skiljer sig genom att den inte använder befintliga proteiner som utgångspunkter – det är sann de novo-design.
Arnold säger att Bakers enzymer också är mer kraftfulla än Mayos, men att det är svårt att fastställa exakt hur mycket mer. Det är en annan sorts enzym, så du kan inte riktigt jämföra äpplen och apelsiner, säger hon. Men det här är ett ganska gott äpple.