Un gruppo di ricercatori dell'Università di Ottawa ha cercato modi per migliorare le metodologie di progettazione degli enzimi e ha recentemente pubblicato i loro risultati in Comunicazioni sulla natura .

Gli enzimi sono utilizzati in molte applicazioni industriali e biotecnologiche. Con le loro numerose proprietà benefiche, sono i catalizzatori più efficienti conosciuti:hanno persino il potere di accelerare le reazioni chimiche di oltre un miliardo di volte. Ma poiché il numero di attività enzimatiche naturali è limitato, anche il numero di domande rimane limitato. Mentre i ricercatori sono riusciti a creare enzimi artificiali, la loro efficienza catalitica non raggiunge lo stesso livello di quella degli enzimi naturali.

Abbiamo parlato con l'autore senior Roberto Chica, Professore Ordinario nel Dipartimento di Chimica e Scienze Biomolecolari dell'Università di Ottawa, per saperne di più sulle sue scoperte.

Puoi dirci di più sugli enzimi progettati artificialmente?

"Negli ultimi 20 anni, i ricercatori hanno progettato con successo enzimi artificiali da zero per una varietà di trasformazioni organiche modello. Ciò è stato fatto utilizzando una procedura chiamata "progettazione enzimatica computazionale" in cui un sito catalitico è stato costruito computazionalmente su un'impalcatura proteica preesistente priva dell'attività catalitica bersaglio.

Pur avendo successo, questo approccio ha prodotto esclusivamente enzimi artificiali che mostrano efficienze catalitiche di ordini di grandezza inferiori a quelle degli enzimi naturali, che richiedono una successiva ottimizzazione utilizzando quella che viene chiamata "evoluzione diretta" per migliorare l'attività. L'evoluzione diretta è un processo mediante il quale vengono introdotte mutazioni casuali in una proteina per generare una vasta libreria di enzimi mutanti, che vengono poi sottoposti a screening per identificare le mutazioni benefiche. Spesso richiede più cicli di mutagenesi casuale e screening per aumentare significativamente l'attività".

In che modo la tua ricerca si relaziona con l'evoluzione diretta?

"Nel nostro lavoro, riveliamo come l'evoluzione diretta migliora l'efficienza catalitica di un biocatalizzatore progettato computazionalmente di circa 1000 volte sintonizzando l'insieme di sottostati strutturali che l'enzima può campionare per favorire quelli che sono cataliticamente competenti.

Sulla base di queste osservazioni, progettiamo un biocatalizzatore artificiale con un'efficienza catalitica pari a quella dell'enzima naturale medio."

Qual è la scoperta di impatto?

"Abbiamo sviluppato una nuova procedura computazionale per la progettazione degli enzimi che è più accurata rispetto ai metodi precedenti perché consente di approssimare la flessibilità intrinseca dello scaffold proteico utilizzato come modello per la progettazione".

Perché questo è importante?

"Questo è importante perché i metodi precedenti si concentravano sulla creazione di una struttura stabile che ignori il dinamismo intrinseco negli enzimi naturali, che è cruciale per la loro funzione (cioè gli enzimi devono "muoversi" per essere catalizzatori efficienti).

In precedenza, non si sapeva se un enzima artificiale che mostrasse un'efficienza catalitica pari a quella di un enzima naturale potesse essere progettato computazionalmente. Mostriamo che questo è possibile ma solo utilizzando un insieme strutturale di modelli proteici che si avvicinano alla flessibilità conformazionale invece di un singolo modello come precedentemente fatto.

I risultati presentati nel nostro manoscritto suggeriscono che la progettazione di enzimi computazionali utilizzando un insieme strutturale potrebbe prevenire la necessità di un'evoluzione diretta consentendo il campionamento di sottostati cataliticamente competenti durante la procedura di progettazione".

Quali sono le potenziali applicazioni della tua ricerca?

"Se potessimo progettare, da zero, enzimi in grado di catalizzare qualsiasi reazione chimica target con elevata efficienza, aprirebbe la porta a biotecnologie di grande valore che sono attualmente inaccessibili utilizzando enzimi naturali".

C'è qualcosa che vorresti aggiungere?

Sì, la ricerca si è svolta dal 2018 al 2020, presso l'Università di Ottawa e l'Università della California, San Francisco.

L'articolo "La progettazione di enzimi basati sull'insieme può ricapitolare gli effetti dell'evoluzione diretta in laboratorio in silico" è stato recentemente pubblicato su Comunicazioni sulla natura .