Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Kemi

Omkonstrueret enzym kan hjælpe med at vende skader fra rygmarvsskade og slagtilfælde

I denne gengivelse af enzymet chondroitinase ABC, punktmutationer repræsenteres af røde kugler. Denne re-manipulerede form af enzymet er mere stabil og mere aktiv end vildtypen og kan bruges til at hjælpe med at vende nerveskader forårsaget af rygmarvsskade eller slagtilfælde. Kredit:Hettiaratchi, O'Meara et al., 2020. DOI:10.1126/sciadv.abc6378 Dette værk er licenseret under CC BY-NC

Et team af forskere fra University of Toronto Engineering og University of Michigan har redesignet og forbedret et naturligt enzym, der viser løfte om at fremme genvækst af nervevæv efter skade.

Deres nye version er mere stabil end det protein, der forekommer i naturen, og kan føre til nye behandlinger for at vende nerveskader forårsaget af traumatisk skade eller slagtilfælde.

"Stroke er den førende årsag til handicap i Canada og den tredje største dødsårsag, "siger University of Toronto Engineering professor Molly Shoichet, seniorforfatter på en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Videnskab fremskridt .

"En af de største udfordringer ved helbredelse efter denne form for nerveskade er dannelsen af ​​et glialar."

Et glialar dannes af celler og biokemikalier, der strikker tæt sammen om den beskadigede nerve. På kort sigt, dette beskyttende miljø beskytter nervecellerne mod yderligere skade, men på lang sigt kan det hæmme nervereparation.

For cirka to årtier siden, forskere opdagede, at et naturligt enzym kendt som chondroitinase ABC - produceret af en bakterie kaldet Proteus vulgaris - selektivt kan nedbryde nogle af de biomolekyler, der udgør glialarret.

Ved at ændre miljøet omkring den beskadigede nerve, chondroitinase ABC har vist sig at fremme genvækst af nerveceller. I dyremodeller, det kan endda føre til at genvinde en tabt funktion.

Men fremskridt har været begrænset af det faktum, at chondroitinase ABC ikke er særlig stabilt de steder, hvor forskere vil bruge det.

"Det er stabilt nok for det miljø, som bakterierne lever i, men inde i kroppen er den meget skrøbelig, "siger Shoichet." Det aggregerer, eller klumper sammen, hvilket får den til at miste aktivitet. Dette sker hurtigere ved kropstemperatur end ved stuetemperatur. Det er også svært at levere chondroitinase ABC, fordi det er modtageligt for kemisk nedbrydning og forskydningskræfter, der typisk bruges i formuleringer. "

Forskellige hold, herunder Shoichets, har eksperimenteret med teknikker til at overvinde denne ustabilitet. Nogle har forsøgt at pakke enzymet ind i biokompatible polymerer eller vedhæfte det til nanopartikler for at forhindre det i at aggregeres. Andre har forsøgt at infunderes langsomt og gradvist i beskadiget væv, for at sikre en ensartet koncentration på skadestedet.

Men alle disse fremgangsmåder er bare båndhjælpemidler - de behandler ikke det grundlæggende problem med ustabilitet.

I deres seneste papir, Shoichet og hendes samarbejdspartnere forsøgte en ny tilgang:De ændrede enzymets biokemiske struktur for at skabe en mere stabil version.

"Som ethvert protein, chondroitinase ABC består af byggesten kaldet aminosyrer, "siger Shoichet." Vi brugte beregningskemi til at forudsige effekten af ​​at bytte nogle byggesten til andre, med et mål om at øge den samlede stabilitet, samtidig med at enzymets aktivitet opretholdes eller forbedres. "

"Ideen var nok lidt skør, fordi ligesom i naturen, en enkelt dårlig mutation kan ødelægge strukturen, "siger Mathew O'Meara, professor i computermedicin og bioinformatik ved University of Michigan, og medforfatter til det nye papir.

"Der er mere end 1, 000 led i kæden, der danner dette enzym, og for hvert link har du 20 aminosyrer at vælge imellem, "siger han." Der er for mange valgmuligheder til at simulere dem alle. "

For at indsnævre søgerummet, teamet anvendte computeralgoritmer, der efterlignede de typer aminosyresubstitutioner, der findes i virkelige organismer. Denne tilgang - kendt som konsensusdesign - producerer mutante former af enzymet, der ikke findes i naturen, men er sandsynligvis ligesom dem der gør.

Til sidst, holdet endte med tre nye kandidatformer af enzymet, der derefter blev produceret og testet i laboratoriet. Alle tre var mere stabile end vildtypen, men kun en, som havde 37 aminosyresubstitutioner ud af mere end 1, 000 led i kæden, var både mere stabil og mere aktiv.

"Vildtypen chondroitinase ABC mister det meste af sin aktivitet inden for 24 timer, der henviser til, at vores re-manipulerede enzym er aktivt i syv dage, "siger Marian Hettiaratchi, den anden medforfatter af papiret. En tidligere postdoktor i Shoichets laboratorium, Hettiaratchi er nu professor i bioingeniør ved University of Oregon's Phil and Penny Knight Campus for Accelerating Scientific Impact.

"Dette er en enorm forskel. Vores forbedrede enzym forventes at nedbryde glial ar endnu mere effektivt end den version, der normalt bruges af andre forskningsgrupper, "siger Hettiaratchi.

Det næste trin vil være at implementere enzymet i de samme slags eksperimenter, hvor vildtypen tidligere blev brugt.

"Da vi startede dette projekt, vi blev rådet til ikke at prøve, da det ville være som at lede efter en nål i en høstak, "siger Shoichet." Efter at have fundet den nål, vi undersøger denne form for enzymet i vores modeller for slagtilfælde og rygmarvsskade for bedre at forstå dets potentiale som terapeutisk, enten alene eller i kombination med andre strategier. "

Shoichet peger på projektets tværfaglige karakter som en nøgle til dets succes.

"Vi var i stand til at drage fordel af forfatternes supplerende ekspertise for at bringe dette projekt til udførelse, og vi var chokerede og glade for at få så succes, "siger hun." Det gik langt ud over vores forventninger. "