Для решения этой проблемы были разработаны рациональные и современные подходы к проектированию с использованием сложных вычислительных методов, но без окончательных результатов. Действительно, исследования белковой инженерии часто предполагают, что появление совершенно новых активных центров ферментов крайне маловероятно.Много лет назад Рой Дженсен (в настоящее время работает в Медицинском центре Канзасского университета) предположил, что первичные ферменты способны катализировать множество реакций. На основе этой работы группа ученых из Университета Гранады (Испания), Университета Упсалы (Швеция), «Instituto de Quimica Fisica Rocasolano» (Мадрид, Испания), Технологического института Джорджии (США) и с Данные, собранные в ESRF, Европейском синхротроне, расположенном в Гренобле (Франция), исследовали и протестировали эти понятия с использованием воскрешенных докембрийских? -лактамаз в качестве основы для создания совершенно новых активных центров.
Докембрийские? -Лактамазы — это белки, возраст которых составляет примерно 3 миллиарда лет. Если упростить, то ученые сделали с этими белками то же, что ученые из Парка Юрского периода сделали для динозавров: вернули к жизни древние формы, чтобы их можно было изучать, чтобы лучше понять, как возникает сложность видов.Как можно воскресить предковый белок? Белки состоят из различных комбинаций аминокислотных строительных блоков с почти бесконечным разнообразием сложности и функций.
Исследователи собрали большие базы данных, полные последовательностей белков. Сравнивая сегодняшние последовательности друг с другом в рамках эволюционной структуры, ученые могут обоснованно сделать вывод о последовательности предкового белка, от которого произошли современные версии, используя модели эволюции последовательностей.«Свойства этих предковых белков (докембрийских? -Лактамаз) придают высокую структурную стабильность и беспорядочную ферментативную активность, что означает, что они способны реагировать с различными веществами. Эти свойства поддерживают биотехнологический потенциал восстановления докембрийских белков благодаря высокой стабильности и усиленная неразборчивость — желательные свойства белковых каркасов для лабораторной эволюции и молекулярного дизайна ». объясняет Валерия А. Риссо, первый автор статьи, из Университета Гранады.
Используя эти воскрешенные докембрийские белки, команда продемонстрировала, что новый активный центр может быть сгенерирован за счет одной замены гидрофобной на ионизируемую аминокислоту, которая создает частично скрытую группу с нарушенными физико-химическими свойствами. «Мы обнаружили, что минималистский дизайн для введения активности de novo (катализ элиминации Кемпа, общий критерий в дизайне ферментов de novo) не работает при использовании современных β-лактамаз, но очень успешен при использовании каркасов гиперстабильных / беспорядочных половых связей. Докембрийские? -Лактамазы », — подчеркивает Эрик А. Гоше из Института биоинженерии и биологических наук Технологического института Джорджии.
Для своего эксперимента команда использовала три канала структурной биологии в ESRF, Европейский синхротрон в Гренобле (Франция): ID29, ID23-1 и полностью автоматизированный канал пучка MASSIF-1, а также канал Xaloc. в Альбе — испанский синхротрон. «Трехмерная структурная информация, полученная из данных, полученных в ESRF, была важна для интерпретации работы, поскольку она привела к структуре нового активного центра с высоким разрешением и предоставила убедительные доказательства роли реорганизации белка в появление новой функции », — объясняет Хосе А. Гавира, автор-корреспондент из Университета Гранады.Это исследование подтверждает потенциал предковой реконструкции как инструмента для белковой инженерии. «Мы предоставляем экспериментальные и вычислительные доказательства того, что воскрешенный в лаборатории предковый фермент будет создавать гораздо лучшие каркасы для новой функциональной инженерии благодаря его высокой стабильности и динамическим характеристикам», — говорит Хосе М. Санчес-Руис.
Новаторское сочетание биоинформатики, вычислительной биологии, структурной биологии и биофизики позволило исследователям глубоко погрузиться в эволюционное время и изменить ход эволюционного потенциала фермента. «Узнав больше о первобытной жизни и о том, как ею можно повторно манипулировать, откроется множество новых возможностей для науки и прольется свет на загадку того, как сложные биологические системы развиваются на самом фундаментальном молекулярном уровне», — подчеркивает Линн Камерлин, автор-корреспондент кафедры клеточной и молекулярной биологии Уппсальского университета.