חוקרים פיתחו שיטה חדשה להנדסת אנזימים בצורה יעילה יותר על ידי שימוש באלגוריתם שמתחשב בהיסטוריה האבולוציונית שלהם. שיטה זו מאפשרת מוטציות ממוקדות המשפרות את הביצועים והיציבות של האנזים. הגישה הוכחה על האנזים בטא-לקטמאז, והראתה ששינויים מהותיים ברצפי חומצות אמינו יכולים לשפר את הפונקציונליות מבלי לשנות את מבנה האנזים. לפריצת דרך זו יש יישומים פוטנציאליים בתעשיות שונות, כולל ייצור מזון וטיפול בבריאות.
שיטת הנדסת אנזימים חדשה משתמשת בנתונים אבולוציוניים כדי לשפר את ביצועי האנזים, ומבטיחה התקדמות משמעותית בתחום הבריאות וביישומים תעשייתיים.
חוקרים פיתחו אב טיפוס לשיטה חדשה ל"הנדסה רציונלית" של אנזימים לביצועים משופרים. הם יצרו אלגוריתם שמתחשב בהיסטוריה האבולוציונית של אנזימים כדי לזהות אתרים פוטנציאליים למוטציות שעשויות לשפר את הפונקציונליות.
עבודתם – פורסמה בכתב עת מוביל תקשורת טבע – יכולות להיות השפעות משמעותיות רחבות טווח על פני חבילת תעשיות, מייצור מזון ועד בריאות האדם.
אנזימים הם מרכזיים בחיים ומפתח לפיתוח תרופות וכלים חדשניים להתמודדות עם אתגרי החברה. הם התפתחו במשך מיליארדי שנים באמצעות שינויים באמינו חוּמצָה רצף שמבסס את המבנה התלת מימדי שלהם. כמו חרוזים על חוט, כל אנזים מורכב מרצף של כמה מאות חומצות אמינו שמקודד את צורתו התלת-ממדית.
פונקציונליות וגיוון של אנזים
עם אחד מ-20 'חרוזים' חומצות אמינו אפשריים בכל מיקום, יש מגוון עצום של רצף אפשרי בטבע. עם היווצרות צורתם התלת-ממדית, אנזימים מבצעים תפקיד ספציפי כמו עיכול חלבוני התזונה שלנו, המרת אנרגיה כימית לכוח בשרירים שלנו, והשמדת חיידקים או וירוסים הפולשים לתאים. אם תשנה את הרצף, אתה יכול לשבש את הצורה התלת-ממדית, וזה בדרך כלל משנה את הפונקציונליות של האנזים, ולפעמים הופך אותו ללא יעיל לחלוטין.
מציאת דרכים לשיפור פעילות האנזימים תועיל מאוד ליישומים תעשייתיים רבים, ובאמצעות כלים מודרניים בביולוגיה מולקולרית, קל וחסכוני להנדס שינויים ברצפי חומצות האמינו כדי להקל על שיפורים בביצועיהם. עם זאת, הכנסה אקראית של שלושה או ארבעה שינויים ברצף יכולה להוביל לאובדן דרמטי של פעילותם.
כאן, המדענים מדווחים על אסטרטגיה חדשה ומבטיחה להנדס באופן רציונלי אנזים בשם "בטא-לקטמאז". במקום להכניס מוטציות אקראיות בגישת פיזור, חוקרים ממכון ברוד ובבית הספר לרפואה של הרווארד פיתחו אלגוריתם שלוקח בחשבון את ההיסטוריה האבולוציונית של האנזים.
אלגוריתם ותוצאות
"בלב האלגוריתם החדש הזה עומדת פונקציית ניקוד המנצלת אלפי רצפים של בטא-לקטמאז מאורגניזמים רבים ומגוונים. במקום כמה שינויים אקראיים, נוצרו עד 84 מוטציות ברצף של 280 כדי לשפר את הביצועים התפקודיים", אמר ד"ר אמיר חאן, פרופסור חבר בבית הספר לביוכימיה ואימונולוגיה של טריניטי קולג' בדבלין, אחד ממחברי המחקר. .
"ולמרבה הפלא, האנזימים החדשים שתוכננו היו גם משופרים בפעילות וגם ביציבות בטמפרטורות גבוהות יותר."
איב נאפייר, סטודנטית לדוקטורט שנה שנייה בטריניטי קולג' דבלין, קבעה את המבנה הניסיוני התלת-ממדי של בטא-לקטמאז שעוצב לאחרונה, באמצעות שיטה הנקראת קריסטלוגרפיה של קרני רנטגן.
המפה התלת-ממדית שלה גילתה שלמרות שינויים ב-30% מחומצות האמינו, לאנזים היה מבנה זהה לבטא-לקטמאז. הוא גם חשף כיצד שינויים מתואמים בחומצות אמינו, המוכנסים בו-זמנית, יכולים לייצב ביעילות את המבנה התלת-ממדי – בניגוד לשינויים בודדים הפוגעים בדרך כלל במבנה האנזים.
איב נאפייר אמרה: "בסך הכל, מחקרים אלה מגלים שניתן להנדס חלבונים לשיפור הפעילות על ידי 'קפיצות' דרמטיות לתוך מרחב רצף חדש.
"לעבודה יש יישומים רחבי טווח בתעשייה, בתהליכים הדורשים אנזימים לייצור מזון, אנזימים מתכלים לפלסטיק וכאלה הרלוונטיים לבריאות האדם ולמחלות, כך שאנחנו די נרגשים לקראת האפשרויות העתידיות".
