Modificările formelor enzimelor influențează recunoașterea moleculară, conform simulărilor
Enzimele sunt adesea descrise ca mașini moleculare care recunosc și procesează molecule specifice. Totuși, acestea nu sunt structuri rigide, iar formele lor pot suferi modificări, ceea ce afectează modul în care moleculele intră, interacționează și rămân în site-urile active.
Pyrimidine-nucleoside phosphorylase (PyNP) este o enzimă implicată în producția de blocuri de nucleic-acid. Aceasta este relevantă pentru proiectarea de medicamente anticancerigene, antivirale și antibacteriene și poate fi folosită și pentru sintetizarea nucleozidelor artificiale. Totuși, baza moleculară a modului în care forma sa în schimbare afectează recunoașterea moleculară a rămas neclară.
O echipă de cercetare condusă de profesorul Akihiko Hatano, împreună cu cercetătorul Kousei Takeshima de la Cursul de Chimie și Biotehnologie, Departamentul de Știința Materialelor și Chimie, Colegiul de Inginerie, Institutul de Tehnologie Shibaura din Japonia, a investigat modul în care diferitele forme ale PyNP din Bacillus subtilis influențează retenția ligandului și preferința pentru zaharuri. Echipa a utilizat simulări de dinamică moleculară pe baza a patru stări conformaționale, 13 sonde structurale și traiectorii de dinamică moleculară care totalizează 15,6 microsecunde de timp de simulare. Rezultatele lor au fost publicate online în revista ACS Omega pe 12 septembrie 2026.
De ani de zile, cercetătorii folosesc această enzimă pentru a sintetiza nucleozide artificiale și s-au întrebat de ce schimbarea zaharurilor poate modifica reacția. „Am dorit să înțelegem această întrebare din perspectiva mișcărilor la scară atomică, care nu pot fi dezvăluite doar prin experimente”, a spus profesorul Hatano. „Aceasta ne-a condus să examinăm comportamentul enzimelor și al moleculelor legate de ele în diferite stări structurale.”
Cercetătorii au început prin a examina modul în care se schimbă cavitatea site-ului activ al enzimei pe măsură ce proteina trece între diferite conformații. Au descoperit că cavitatea s-a extins cu aproximativ 1,4 ori între cele mai închise și cele mai deschise stări.
Simulările au dezvăluit o relație între forma enzimei și retenția ligandului. În cadrul simulărilor, 75,6% din traiectorii în grupul închis au reținut liganzi în stare legată, comparativ cu 55,1% în grupul deschis, indicând că forma enzimei influențează retenția ligandului.
Cercetătorii au constatat, de asemenea, că compușii care conțin riboză și 2′-deoxiriboză nu au arătat o preferință universală. În schimb, preferința pentru zaharuri depindea atât de compusul individual, cât și de conformația enzimei. Au observat, de asemenea, conformații distincte ale inelului zaharurilor: riboza a ocupat conformația Nord (C3′-endo) timp de 64,3% din timpul eșantionat, în timp ce 2′-deoxiriboza a ocupat conformația Sud (C2′-endo) timp de 57,9%. Această diferență a fost cea mai pronunțată pentru compusul nesubstituit și a devenit mai mică pe măsură ce substituentul din poziția 6 a crescut.
Un reziduu numit Tyr165 a apărut ca un „capac” mobil deasupra site-ului activ, în special în structura de referință închisă. Eliminarea acestui reziduu în simulări suplimentare a redus retenția ligandului, susținând mecanismul capacului propus la nivel computațional. Cu toate acestea, semnalul cel mai puternic al Tyr165 a provenit în principal dintr-o structură închisă aparținând unei specii înrudite, astfel că este necesară confirmarea folosind o structură închisă din B. subtilis.
Descoperirile ar putea avea o valoare mai largă pentru cercetarea farmaceutică și biotehnologică. PyNP este, de asemenea, utilizat pentru a sintetiza nucleozide etichetate fluorescent și acizi nucleici etichetați cu izotopi stabili. Înțelegerea modului în care forma enzimei afectează captarea moleculară ar putea ajuta cercetătorii să proiecteze inhibitori și rute de sinteză enzimatică eficiente, sprijinind astfel fabricarea mai ecologică.
Enzimele nu ar trebui să fie considerate structuri statice unice atunci când ne gândim la recunoașterea moleculară. Rezultatele noastre arată că diferitele conformații pot schimba modul în care compușii sunt reținuți și cum apar preferințele legate de zaharuri.
Studiul punctează spre calcule și experimente viitoare pentru a determina modul în care aceste interacțiuni se leagă de pașii chimici.
În general, studiul demonstrează cum examinarea mai multor conformații enzimatice prin simulări moleculare poate revela comportamente de legare care ar putea fi omise de o singură structură statică. Prin arătarea că retenția ligandului și preferința pentru zaharuri depind de identitatea moleculară și forma enzimei, acest lucru oferă un cadru pentru recunoașterea dinamică a substratului și pentru proiectarea viitoare de enzime, inhibitori și sinteză biocatalitică sustenabilă.
