L'attività enzimatica è determinata dalla struttura di una particolare regione di una proteina chiamata sito attivo. La generazione di siti attivi completamente nuovi capaci di catalisi enzimatica è, probabilmente, uno dei più importanti problemi irrisolti della biologia molecolare.

Approcci di progettazione razionali e moderni a questo problema sono stati sviluppati utilizzando metodi computazionali complessi, ma senza risultati conclusivi. Infatti, studi di ingegneria proteica spesso suggeriscono che l'emergere di siti attivi enzimatici completamente nuovi è altamente improbabile.

Molti anni fa, Roy Jensen (attualmente presso l'Università del Kansas Medical Center) ha proposto che gli enzimi primordiali fossero in grado di catalizzare una varietà di reazioni. Sulla base di questo lavoro, una collaborazione multi-istituzionale di scienziati ha esplorato e testato queste nozioni utilizzando -lattamasi precambriane risorte come scaffold per l'ingegneria di siti attivi completamente nuovi. Le -lattamasi precambriane sono proteine ​​vecchie di circa 3 miliardi di anni. Fondamentalmente, gli scienziati hanno riportato in vita queste antiche proteine ​​in modo che possano essere studiate per capire meglio come nasce la complessità nelle specie.

Come è possibile resuscitare le proteine ​​ancestrali? Le proteine ​​sono costituite da varie combinazioni di elementi costitutivi di aminoacidi, con una varietà quasi infinita di complessità e funzioni. I ricercatori hanno compilato grandi database di sequenze proteiche. Confrontando le sequenze di oggi tra loro all'interno di un quadro evolutivo, gli scienziati possono ragionevolmente dedurre la sequenza di una proteina ancestrale da cui discendono le versioni moderne utilizzando modelli di evoluzione della sequenza.

"Le proprietà di queste proteine ​​ancestrali (β-lattamasi precambriane) conferiscono un'elevata stabilità strutturale e un'attività enzimatica promiscua, il che significa che sono in grado di reagire con una varietà di sostanze. Queste proprietà supportano il potenziale biotecnologico della resurrezione proteica precambriana perché sia ​​l'elevata stabilità che la maggiore promiscuità sono caratteristiche desiderabili negli scaffold proteici per l'evoluzione diretta in laboratorio e la progettazione molecolare, " spiega la prima autrice Valeria A. Risso dell'Università di Granada.

Usando queste proteine ​​Precambriane risorte, il team ha dimostrato che un nuovo sito attivo può essere generato attraverso una singola sostituzione di amminoacidi da idrofobi a ionizzabili che genera un gruppo parzialmente sepolto con proprietà fisico-chimiche perturbate. "Abbiamo scoperto che un design minimalista per introdurre un'attività de novo (catalisi dell'eliminazione di Kemp, un punto di riferimento comune nella progettazione di enzimi de novo) fallisce quando viene eseguito su moderne β-lattamasi, ma ha molto successo quando si usano gli scaffold delle β-lattamasi precambriane iperstabili/promiscue, " afferma Eric A. Gaucher dell'Institute for Bioengineering and Biosciences, Istituto di tecnologia della Georgia.

Per il loro esperimento, il team ha utilizzato tre linee di luce di biologia strutturale presso l'ESRF, il Sincrotrone Europeo di Grenoble (Francia):ID29, ID23-1, e la linea di luce "hand-off" MASSIF-1 completamente automatizzata, così come la linea di luce Xaloc ad Alba, il sincrotrone spagnolo. "Le informazioni strutturali tridimensionali derivate dai dati ottenuti presso l'ESRF sono state essenziali per l'interpretazione del lavoro, poiché ha portato a una struttura ad alta risoluzione del nuovo sito attivo e ha fornito prove conclusive del ruolo della riorganizzazione proteica nell'emergere della nuova funzione, " spiega Jose A. Gavira, autore corrispondente, dell'Università di Granada.

Questo studio conferma il potenziale della ricostruzione ancestrale come strumento per l'ingegneria delle proteine. "Forniamo prove sperimentali e computazionali che gli enzimi ancestrali risorti in laboratorio creeranno scaffold molto migliori per l'ingegneria delle nuove funzioni grazie alle sue caratteristiche di elevata stabilità e dinamica, " dice Jose M. Sanchez-Ruiz.

L'innovativa combinazione di bioinformatica, biologia computazionale, la biologia strutturale e la biofisica hanno permesso ai ricercatori di approfondire il tempo evolutivo, e modificare il corso del potenziale evolutivo di un enzima. "Imparare di più sulla vita primordiale, e come può essere manipolato, aprirà molte nuove strade per la scienza e farà luce sul puzzle di come i sistemi biologici complessi si evolvono al livello molecolare più fondamentale, ", afferma l'autore corrispondente Lynn Kamerlin del Dipartimento di biologia cellulare e molecolare, Università di Upsala. Questo studio è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura .