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Enzimi costruiti da zero
In un importante passo avanti per la progettazione di proteine computazionali, gli scienziati hanno costruito da zero una manciata di enzimi che catalizzano con successo una reazione chimica specifica. Queste proteine non hanno controparti naturali e la reazione, che scompone una sostanza chimica prodotta dall'uomo, non ha un catalizzatore naturale.
Creatività catalizzatrice: I ricercatori hanno sviluppato una tecnica computazionale per costruire enzimi da zero. Un enzima chiamato retro-aldolasi, una parte del quale è mostrata sopra, è stato progettato per rompere i legami carbonio-carbonio in un substrato chimico non naturale (modello a bastoncino giallo e bianco). La rete grigia è il sito attivo dell'enzima, la sua geometria è accuratamente realizzata per mantenere il substrato in posizione. I modelli a bastoncino arancione e verde indicano i componenti dell'enzima che sono particolarmente importanti per stimolare la reazione.
Rende chiaro che possiamo calcolare una struttura che catalizzerà una reazione dove prima non c'era, dice Frances Arnold , professore di ingegneria chimica e biochimica presso Caltech , che non è stato coinvolto nella ricerca. Arnold chiama i nuovi enzimi il Santo Graal della progettazione computazionale delle proteine. Progettare qualsiasi proteina da zero è un compito arduo; ingegnerizzare una proteina in grado di svolgere una data funzione richiede molta più sofisticatezza.
David Baker e i suoi colleghi al Università di Washington focalizzato su una reazione che avrebbe rotto determinati legami tra atomi di carbonio. La capacità di progettare enzimi in grado di rompere e creare legami carbonio-carbonio potrebbe potenzialmente consentire agli scienziati di abbattere le tossine ambientali, produrre farmaci e creare nuovi combustibili.
Come riportano sul giornale Scienza , Baker e il suo gruppo hanno prima progettato come sarebbe stato un sito attivo ideale per la reazione. Un sito attivo è una tasca all'interno di un enzima dove avviene la reazione catalizzata. Per svolgere il suo lavoro, un sito attivo deve avere una geometria e una composizione chimica precise, adattate alla reazione che catalizza. Alcuni componenti mantengono in posizione le molecole che reagiscono, mentre altri partecipano ai meccanismi chimici della reazione.
Una volta che i ricercatori hanno calcolato il sito attivo, hanno utilizzato una serie di algoritmi di nuova concezione per modellare le proteine che hanno tale sito. Ogni proteina progettata è stata classificata in base alla sua capacità di legare le sostanze chimiche che reagiscono e di mantenerle nella posizione corretta.
Il passo successivo è stato quello di sintetizzare effettivamente le proteine selezionate. I ricercatori hanno derivato sequenze geniche per 72 degli enzimi progettati, ordinato frammenti di DNA contenenti quei geni e utilizzato batteri per trasformare i geni in proteine. Ogni proteina è stata quindi testata per la sua capacità di catalizzare la reazione di rottura del legame carbonio-carbonio.
Delle 72 proteine selezionate, 32 hanno aiutato con successo la reazione. Le proteine più efficienti hanno accelerato la reazione fino a 10.000 volte la velocità senza un enzima.
Sebbene sia un'impresa impressionante rispetto ai precedenti tentativi di progettazione di enzimi, gli enzimi sintetizzati impallidiscono rispetto a quelli naturali. Non è affatto buono, dice Baker. Gli enzimi naturali possono aumentare la velocità delle reazioni di quantità molto, molto maggiori, fino a un quadrilione di volte.
Uno dei nostri problemi di ricerca è capire cosa manca ai nostri progetti che gli enzimi naturali hanno scoperto, afferma Baker. Negli studi di follow-up, il suo gruppo ha adottato due approcci a questo problema: perfezionare i suoi algoritmi informatici e chiedere alla natura di intervenire da dove i ricercatori avevano interrotto. Utilizzando i loro enzimi minimamente funzionali come punti di partenza evolutivi, i ricercatori possono utilizzare l'evoluzione diretta per creare catalizzatori più efficienti.
In passato, l'evoluzione diretta è stata un approccio alternativo alla creazione di enzimi desiderabili. Ma Baker crede che possa essere usato come complemento agli approcci computazionali. Il design computazionale offre ai ricercatori un modo per costruire proteine da zero, consentendo loro di ingegnerizzare enzimi per reazioni che non hanno controparti naturali. In questo modo, saremmo liberi dalla tirannia di dover trovare qualcosa in natura da cui partire, dice Arnold, il cui lavoro si è concentrato molto sull'evoluzione diretta.
Ma l'evoluzione diretta fornisce un mezzo per apportare quelle modifiche strutturali che gli algoritmi di progettazione computazionale non sono ancora abbastanza sofisticati da gestire. In realtà è l'onda del futuro, dice Baker, perché questi esperimenti di evoluzione diretta possono catturare cose molto più sottili di quelle che possiamo catturare nei calcoli.
Baker's non è il primo gruppo ad affrontare la progettazione di enzimi computazionali. Ad esempio, il biochimico Caltech Steve potrebbe , un pioniere nella progettazione computazionale delle proteine, ha riportato la creazione di enzimi da proteine non enzimatiche esistenti nel 2001. Ma l'approccio di Baker differisce in quanto non utilizza le proteine esistenti come punti di partenza: è un vero design de novo.
Arnold afferma che gli enzimi di Baker sono anche più potenti di quelli di Mayo, ma è difficile stabilire esattamente quanto di più. È un diverso tipo di enzima, quindi non puoi davvero confrontare mele e arance, dice. Ma questa è una mela piuttosto buona.