Scienziati della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) hanno individuato come una classe speciale di enzimi di origine vegetale, noto come ligasi peptidica, lavorano per unire le proteine. Tale legame è un processo importante nello sviluppo di farmaci, per esempio nell'attaccare specificamente un farmaco chemioterapico a un anticorpo che riconosce i marcatori tumorali per colpire le cellule tumorali.

Più in generale, Le ligasi peptidiche sono uno strumento utile nelle applicazioni biotecnologiche e biomediche come l'etichettatura delle proteine, imaging e monitoraggio delle proteine ​​nel corpo.

Gli scienziati dell'NTU Singapore hanno dimostrato che il segreto della proprietà della "supercolla" di un peptide ligasi risiede in due regioni specifiche dell'enzima che gli conferiscono la capacità di attaccarsi ad altre molecole, e per modificare la velocità con cui funziona.

Il team NTU guidato dal Professore Associato Julien Lescar e dal Professor James Tam della Scuola di Scienze Biologiche NTU ha utilizzato le nuove conoscenze per sviluppare una nuova ligasi peptidica creata in laboratorio basata su informazioni genetiche dal violetto cinese ( Viola yedoensis ), una pianta medicinale con proprietà antibiotiche e antinfiammatorie.

La ligasi peptidica creata artificialmente, noto anche come ligasi peptidica ricombinante, può favorire lo sviluppo di farmaci costituiti da componenti prelevati da organismi viventi, in quanto supera i limiti dei metodi attuali, come sottoprodotti o molecole tossiche che possono alterare la funzione e l'efficacia di un farmaco.

I risultati sono stati pubblicati ad aprile nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).

Professore Associato Julien Lescar, che ha sede anche presso l'Istituto NTU di Biologia Strutturale (NISB), disse, "Abbiamo usato ciò che abbiamo appreso in natura per progettare un enzima ricombinante in laboratorio. Si attacca a una proteina specifica, che poi si unisce ad un'altra specifica proteina o molecola. Questo nuovo modo di fare le cose potrebbe essere alla base di migliori test diagnostici o farmaci antitumorali".

Attualmente, durante lo sviluppo del farmaco, molecole proteiche sono cucite insieme chimicamente. Mentre questo è efficiente, il processo lascia sottoprodotti che possono alterare la funzione del prodotto finale.

Le ligasi peptidiche di origine vegetale hanno dimostrato di essere una "supercolla" proteica più affidabile rispetto alle ligasi derivate da batteri, o l'uso di sostanze chimiche per legare insieme le proteine. Assoc Prof Lescar ha osservato che gli enzimi estratti dalle piante possono trasportare tracce di contaminanti che potrebbero a loro volta scatenare allergie, e la disponibilità dell'enzima dipende dal successo della crescita e della raccolta. In contrasto, il nuovo enzima ricombinante sviluppato da NTU può essere prodotto in laboratorio in grandi quantità senza sottoprodotti.

Professor James Tam, che è anche nel NISB, disse, "In termini molto semplici, il nostro lavoro per creare queste ligasi fornisce una piattaforma migliorata per la bioproduzione di precisione di farmaci, diagnostica e biomateriali".

Prendere una foglia dal libro della natura

Il team NTU ha studiato le informazioni genetiche degli enzimi estratti dalla violetta cinese ( Viola yedoensis ) e la violetta canadese ( Viola canadensis ). Invece di testare l'efficienza di questi enzimi estratti, gli scienziati hanno progettato cinque campioni di enzimi ricombinanti inserendo i geni degli enzimi in una coltura di cellule di insetto. Dei cinque campioni, tre sono ligasi peptidiche. Gli altri due sono proteasi, che sono enzimi che scindono le molecole proteiche in catene peptidiche più piccole.

Gli scienziati hanno scoperto che uno dei campioni di ligasi peptidica ricombinante, VyPAL2, ha eccezionali proprietà leganti, ed è 3, 000 volte più efficiente di altri tre tipi noti di ligasi.

Attraverso un'analisi strutturale di VyPAL2, il team NTU ha quindi ristretto i "centri di controllo" della sua proprietà della supercolla a due regioni specifiche, che chiamarono LAD1 e LAD2. LAD1 influenza il tasso di attività enzimatica, mentre LAD2 determina se l'enzima esibisce attività ligasi o proteasi.

Turning proteases into peptide ligases

Another discovery stemming from the knowledge of the peptide ligase's molecular mechanism is a method to convert it from being a cutter (a protease) into a joiner (peptide ligase). This can be done by introducing mutations into the LAD1 and LAD2 regions of a protease.

Knowing this conversion process opens up possibilities for identifying novel interesting peptide ligases by simply trawling through protein sequence databases, said Assoc Prof Lescar.

"When you have tens of thousands of proteases, and only a few known peptide ligases, trawling through the sequence databases with the LAD1 and LAD2 regions as the search criteria could lead to the discovery of more proteases that can be converted into peptide ligases. It's like a fishing expedition, but at least now we know where to fish."

Future applications

The team recently received funding from NTUitive, NTU's innovation and enterprise company, and is now working to develop the recombinant enzyme into a product. The product will be eventually sold at Epitoire, a start-up founded by Assoc Prof Lescar. The start-up sells DNA, RNA and protein reagents for academics and researchers who wish to do protein modification.

The team is also partnering both local and overseas medical schools and health institutions to use this recombinant enzyme in diagnostic imaging, such as brain tumor imaging during a surgery.

A patent has been filed for the creation of the recombinant enzyme, as well as the mechanism that converts a protease into a ligase.