Команде ученых из США и Израиля удалось создать ферменты, ускоряющие реакцию, для которой в природе не существует естественного катализатора. Чтобы добиться максимальной эффективности нового фермента, исследователи имитировали in vitro процесс его "эволюции". Работа опубликована в одном из самых авторитетных научных журналов - Nature.
Ферменты - это белки, катализирующие те или иные реакции в природе. Как все белки, ферменты состоят из аминокислот, которые складываются в определенную трехмерную структуру, обеспечивающую оптимальное протекание реакции. Собственно реакция протекает в активном центре фермента. В своей работе ученые задались целью создать фермент, который катализировал бы реакцию отщепления протона, связанного с углеродом. В природе соответствующего фермента не существует.
На первой стадии эксперимента исследователи определили структуру активного центра будущего фермента. Затем они определили, какой должна быть полная последовательность аминокислот, чтобы они смогли "свернуться" и образовать активный центр заданной структуры. С помощью новой методики профессор Дэвид Бейкер из Университета Вашигтона в Сиэтле проанализировал десятки тысяч возможных вариантов и выделил около 60 "кандидатов". Ученые синтезировали их и проверили на наличие биологической активности. Этот тест прошли восемь "претендентов", их которых исследователи отобрали три наиболее перспективных варианта.
Специалисты из отдела структурной биологии Института Вайсмана определили трехмерную структуру одного из трех ферментов. Она оказалась практически идентична структуре, предсказанной с помощью компьютерного анализа.
Однако эффективность этих ферментов была существенно ниже, чем у их естественных "родственников", которых природа отбирала миллионы лет. Исследователи из Израиля смоделировали эволюцию фермента in vitro. Они случайным образом вносили в последовательности ферментов изменения, после чего анализировали активность полученных мутантов. После семи циклов внесения мутаций активность фермента увеличилась в 200 раз по сравнению с исходным вариантом, разработанным на основе компьютерной модели. Скорость реакции в присутствии нового фермента возрастала на шесть порядков.
Внесенные мутации незначительно изменяли структуру активного центра ферментов, что оптимизировало протекание непосредственно реакции отщепления, либо изменяли гибкость всей цепи, что способствовало ускорению освобождения продукта реакции.
Разработанный учеными алгоритм позволяет создавать ферменты, катализирующие необходимые реакции, и увеличивать их активность до уровня природных аналогов. Кроме того, полученные результаты помогут лучше понять принципы работы ферментов.