Descoperirile privind selectivitatea enzimelor deschid noi orizonturi în sinteza farmaceutică
Enzimele sunt uneltele moleculare ale vieții. Acestea accelerează reacțiile chimice și au capacitatea de a distinge foarte precis între molecule asemănătoare. Selectivitatea ridicată a multor enzime este esențială pentru producția unor medicamente importante, precum penicilina și ciclosporina. Însă, cum au evoluat enzimele pentru a dezvolta această abilitate de a distinge între funcționalități chimice asemănătoare cu o precizie atât de mare?
O echipă internațională de cercetare, care include cercetători de la Universitatea Tehnică din Graz (TU Graz), a investigat această întrebare folosind un grup de enzime vegetale cunoscute sub numele de dehidrogenaze de borneol ca studiu de caz. Rezultatele arată că nu doar modificările din centrul catalitic al enzimelor influențează selectivitatea, ci și schimbările din alte zone ale proteinelor, care împreună pot avea un impact decisiv asupra selectivității unei enzime. Rezultatele studiului au fost publicate în Nature Communications.
Dehidrogenazele de borneol (BDH) sunt enzime vegetale implicate, printre altele, în formarea camforului. Unele dintre aceste enzime pot distinge foarte specific între cele două forme mirror ale moleculei 1-borneol. Una dintre variantele borneol este preferențial legată de enzimă și astfel devine disponibilă pentru procesele de oxidare. Această selectivitate ridicată a enzimelor este relevantă pentru multe aplicații biotehnologice, cum ar fi producția de ingrediente farmaceutice active, cosmetice și parfumuri.
În special în fabricarea medicamentelor, efectele variantelor mirror pot varia semnificativ, iar utilizarea variantei greșite poate provoca efecte secundare. „În timp ce enzimele naturale recunosc aceste imagini mirror cu un grad ridicat de precizie, în multe cazuri nu este clar de ce această funcție s-a stabilit prin evoluție și care schimbări din enzimă au fost responsabile pentru aceasta”, afirmă Robert Kourist, șeful Institutului de Biotehnologie Moleculară de la TU Graz.
Pentru a investiga cum a evoluat selectivitatea BDH-urilor, cercetătorii au analizat secvențe din 97 de enzime înrudite din 59 de genuri vegetale și au folosit aceste informații pentru a reconstrui diferite „enzime ancestrale”. Utilizând aceste proteine reconstruite, au reușit să urmărească diferitele etape ale unei posibile căi evolutive.
Aceasta a relevat un salt evolutiv semnificativ: o enzimă ancestrală reconstruită prezenta puțină distincție între cele două forme mirror ale moleculei, în timp ce o enzimă ancestrală ulterioară, dimpotrivă, era foarte selectivă.
Există 19 modificări ale aminoacizilor între cele două variante de enzimă examine. Numai una dintre aceste modificări afectează centrul activ. Deși această mutație a alterat selectivitatea enzimelor într-o măsură măsurabilă, modificările suplimentare în zonele din afara centrului activ au fost necesare pentru a obține o selectivitate foarte ridicată. „Rezultatele arată că funcția unei enzime nu poate fi explicată exclusiv pe baza centrului său activ. Schimbările din alte părți ale proteinelor pot, atunci când acționează în combinație, avea un impact decisiv asupra proprietăților enzimei în ansamblu”, afirmă Robert Kourist.
Simulările moleculare au oferit o explicație posibilă pentru acest lucru. Nu doar secvența aminoacizilor enzimei influențează selectivitatea reacției, ci și forma și mobilitatea acesteia, care sunt în mare parte determinate de periferia moleculei. Aceasta influențează modul în care o enzimă și un reactant pot intra în contact unul cu celălalt într-un lichid. În studiu, forma moleculară foarte selectivă adoptă mai frecvent o aranjare spațială care permite o reacție de succes.
Studiul oferă astfel noi perspective asupra modului în care evoluția dă naștere preciziei moleculare. Pe termen lung, această cunoaștere ar putea fi relevantă și pentru biotehnologie: „O mai bună înțelegere a originilor evolutive ale selectivității ar putea să ne ajute să optimizăm enzimele mai specific pentru anumite sarcini în viitor”, afirmă Robert Kourist.
