Badacz tworzy enzymy od podstaw

Enzymy są końmi pociągowymi komórki i wszystkich systemów biologicznych. Te wyspecjalizowane białka wprawiają w ruch wszystkie reakcje chemiczne komórek, upewniając się, że biegną wystarczająco szybko, aby mogło istnieć życie na poziomie biochemicznym. Każdy enzym precyzyjnie dopasowuje się do procesów komórkowych, które reguluje. Dzięki ewolucji, nasz świat jest pełen tych starannie dobranych białek. Badanie opublikowane na początku tego roku przez Ann Donnelly, specjalista ds. badań ds Katedra Informatyki Biomedycznej, ujawniło, że naukowcy mogą od podstaw stworzyć działające enzymy.

ten badanie opublikowano w styczniu w Nature Chemical Biology. Donnelly'ego, który przyszedł do Pitta 2017, pracował jako doktorant w laboratorium Michaela Hechta w Princeton.

„Pokazaliśmy, że można pobrać nowe sekwencje białek, których natura nigdy wcześniej nie widziała, i umieścić je w naturalnych systemach – i mogą one funkcjonować,– wyjaśnia Donnelly.

Odkrycia wskazują na pewne fascynujące wymiary naszej pierwotnej historii, ona mówi: Mianowicie, reakcje rządzące wczesnymi procesami komórkowymi były znacznie bardziej elastyczne niż obecnie. „Enzymy, które dziś widzimy, mają duży bagaż ewolucyjny i zostały naprawdę udoskonalone, aby mogły robić to, co robią,– mówi Donnelly.

Ale rozwiązania ewolucyjne nie były jedyne, okazuje się. „Nasza praca sugeruje, że możliwe jest zastąpienie tego, co mamy teraz, czymś zupełnie innym”.

Syntetyczny enzym Syn-F4 był jedną z dużej partii wyprodukowanej w laboratorium Hechta dziesięć lat temu. Grupa rutynowo produkuje białka syntetyczne, zaprojektowanie ich tak, aby odpowiadały wzorowi składania zwanemu wiązką czterech helis, a następnie przetestowanie ich na zmutowanych szczepach bakterii Escherichia coli. Chodzi o to, aby sprawdzić, czy którykolwiek z wytwarzanych przez nie syntetycznych enzymów może zastąpić funkcje E. coli, które zostały wyeliminowane. A czasami sztuczne wersje działają. Przeważnie wchodzą w grę w mgnieniu oka — włączając procesy komórkowe, które mogą pełnić funkcje podobne do tego, do czego się wzywa..

„Ale przypadek Syn-F4 był trochę inny,– mówi Donnelly.

Syn-F4 i jego syntetyczna kohorta zostały ewoluowane, aby zastąpić bakterie E. coli zwany Fes, który został unieruchomiony przez mutację. Zadaniem Fezu jest uwolnienie żelaza ze związku w E. coli, która pobiera metal ze środowiska, dzięki czemu można go wykorzystać do zdrowego wzrostu komórki. Bez Fesu, kolonie bakteryjne słabo rosną, plamiące się czerwienią, gdy wokół nich gromadzi się żelazo. Ale kiedy Donnelly dodał Syn-F4 do tych chorych kolonii, czerwień zaczęła znikać, zwracając E. coli do zdrowego stanu. „Było jasne jak słońce," ona mówi. „To było dla mnie niewiarygodne, widzieć to, co dzieje się w czasie rzeczywistym”.

Takie niewiarygodne, w rzeczywistości, że milczała na ten temat, dopóki nie powtórzyła tego ustalenia kilka razy. Oprócz testowania syntetycznego białka w żywych bakteriach, zmieszała go również bezpośrednio z substratem wychwytującym żelazo i analizowała biochemicznie powstałą reakcję.

Później, poprawiła podłoże, chemicznie odwracając jego orientację. Odkryła, że ​​uniemożliwia to Syn-F4 działanie magii, wykazując jego specyfikę i potwierdzając pogląd, że działa jak enzym.

Niewiarygodne było dla mnie obserwowanie tego, co dzieje się w czasie rzeczywistym.

Annę Donnelly, specjalista ds. badań

Co ciekawe, mówi Donnelly, jest to, że enzym naturalny i sztuczny wyglądają zupełnie inaczej. Naturalny jest około cztery razy większy, i wiadomo, że łączy się z podłożem poprzez miejsce zawierające aminokwas serynę. Sztuczny enzym, chociaż, nie zawiera w ogóle pozostałości seryny.

„Trudno dokładnie określić, jak to działa, ale przynajmniej wiemy, że nie katalizują reakcji w ten sam sposób.”

Te dni w Pitt, w laboratorium Erika Wrighta, adiunkt informatyki biomedycznej, Donnelly wykorzystuje swoją pomysłowość, aby skupić się na nowym wyzwaniu: zrozumienie, w jaki sposób patogeny ewoluują, aż stają się oporne na antybiotyki.

Źródło: www.pittwire.pitt.edu