Zaprojektuj sobie enzym

Chemicy z dwóch amerykańskich uniwersytetów, ulokowanych w Los Angeles oraz Waszyngtonie, po raz pierwszy w historii zaprojektowali i zsyntetyzowali funkcjonalne, całkowicie sztuczne enzymy. Jest to ważny krok naprzód w dziedzinie bioinformatyki, jak i potwierdzenie znaczącego rozwoju wiedzy na temat działania tych biologicznych katalizatorów. Zespół, prowadzony przez prof. Kendalla Houka, doniósł o swoim najnowszym dokonaniu w ostatnim numerze czasopisma Nature.

Umiejętność projektowania enzymów zdolnych do przeprowadzania oczekiwanych reakcji niewątpliwie znajdzie ogromne zastosowanie. Ochrona przed bronią biologiczną, neutralizacja toksyn, udoskonalanie leków - to tylko kilka przykładów potencjalnych korzyści, jakie możemy już niedługo osiągnąć dzięki dalszym badaniom w tej dziedzinie. Prof. Houk komentuje dokonane przez jego zespół odkrycie: Nareszcie jesteśmy w stanie projektować i syntetyzować enzymy zdolne do przeprowadzania reakcji, których żaden znany z natury enzym nie potrafi katalizować. Naczelnym celem naszych badań jest używanie komputerowych metod obliczeniowych w celu takiego rozplanowania ułożenia przestrzennego aminokwasów w strukturze białka, by było ono w stanie przeprowadzić zaplanowaną przez nas reakcję.

Kolejny autor badań, doktorant Jason DeChancie, tłumaczy korzyści płynące ze stosowania enzymów: Enzymy są niezwykle aktywnymi katalizatorami. Pracujemy nad tym, by ujarzmić ich unikalne zdolności i wykorzystać do własnych celów. Chcemy nauczyć się przeprowadzać reakcje, których żaden enzym w naturze nie potrafi katalizować. Te występujące w naturze mają swoje granice funkcjonalności, my zaś chcemy je rozszerzyć.

Połączenie osiągnięć chemii, matematyki oraz fizyki umożliwiło naukowcom zsyntetyzowanie enzymu zdolnego do przeprowadzenia tzw. eliminacji Kempa, zachodzącej pomiędzy zasadami i związkiem organicznym zwanym benzoizooksazolem. Zaledwie dwa tygodnie wcześniej ta sama grupa opublikowała wyniki eksperymentu, w którym udało się przeprowadzić w podobny sposób reakcję aldolową, wchodzącą w skład metabolizmu cukrów.

Obecne badania są ogromnym krokiem naprzód. Jeszcze bowiem kilka lat temu zastosowanie technik obliczeniowych nie przynosiło oczekiwanych rezultatów. Zarówno moc obliczeniowa komputerów, jak i dokładność programów komputerowych symulujących kształt cząsteczek były zbyt niskie. Można jednak wierzyć, że kolejne lata udoskonalania wspomnianej technologii mogą przynieść jeszcze wiele ekscytujących wyników.

Praca nad projektowaniem enzymów jest niezwykle złożonym procesem. Najcięższym jego fragmentem jest wirtualne stworzenie tzw. centrum aktywnego, czyli miejsca w cząsteczce białka, w którym przyłączane są reagujące związki i przeprowadzana jest reakcja. W przypadku przytoczonej wcześniej reakcji aldolowej zadanie było wyjątkowo ciężkie, gdyż na reakcję tę składa się aż sześć kolejnych etapów. Dodatkową trudnością jest potrzeba przeprowadzenia obliczeń o niesamowitej wręcz dokładności, sięgającej jednej setnej nanometra.

Cały projekt, sponsorowany przez amerykańską Agencję Badawcza Zaawansowanych Projektów Obronnych (DARPA, od ang. Defense Advanced Research Projects Agency), trwał aż trzy lata. Zespół badaczy był podzielony na dwie grupy: jedna z nich przewidywała optymalny kształt miejsca aktywnego, a zadaniem drugiej było takie dobranie sekwencji aminokwasów w białku, by tę strukturę wytworzyć. Następnie syntetyzowano gotowy związek chemiczny według wskazań komputera i szukano odpowiedzi na pytanie, czy komputerowy algorytm rzeczywiście doprowadził do produkcji enzymu o oczekiwanej aktywności.

Technologia opracowana przez Amerykanów znajdzie z pewnością wiele zastosowań. Wszystko wskazuje na to, że umożliwi przeprowadzanie licznych reakcji, które dziś są niemożliwe. Pozwoli także obniżyć koszty wielu innych, których wdrożenie na skalę przemysłową jest dziś nieopłacalne. Jak daleko jesteśmy na drodze do zrealizowania tego planu? Jason DeChancie odpowiada: Myślę, że właśnie do tego doszliśmy. Nasze publikacje dowodzą, że naprawdę stało się to możliwe.

sztuczny enzym DARPA Kendall Houk reakcja