Direkte udvikling af et designerenzym med en unaturlig katalytisk aminosyre

De imponerende høje omdannelsesrater af naturlige enzymer skyldes til dels at øge den katalytiske aktivitet af nogle få udvalgte aminosyresidekæder gennem præcis placering i proteinbindingshulrummet. Forskere har nu påvist, at en sådan finjustering også er mulig for "designer"-enzymer med unaturlige katalytiske aminosyrer. I journalen Angewandte Chemie , de rapporterer, at laboratorie-"evolution" af et designerenzym med en anilinsidekæde førte til varianter med signifikant højere aktivitet.

Den hastighed og selektivitet, hvormed enzymer i naturen katalyserer omdannelser, er misundelsesværdig. For katalytisk at øge unaturlige reaktioner, forskere efterligner enzymer ved hjælp af proteinrammer realiseret ved computerstøttet proteindesign. Yderligere optimering opnås ved gentagelse af en darwinistisk cyklus:1) diversificering gennem mutation, 2) identifikation af forbedrede katalysatorer, og 3) amplifikation af de mere effektive enzymvarianter. Dette giver mulighed for produktion af designerenzymer med meget høje aktiviteter.

Forskere ledet af Clemens Mayer og Gerard Roelfes ved University of Groningen (Holland) har nu påvist, at denne type rettet evolution også er en metode til at forbedre effektiviteten af ​​en ny klasse af designerenzymer:enzymer, der indeholder en aminosyre, der er ikke udnyttet af naturen.

Startende med et protein fra Lactococcus lactis, en bakterie, der bruges til fremstilling af mejeriprodukter såsom ost og kærnemælk, forskerne syntetiserede et designerenzym, der indeholder en aminosyre med en abiotisk anilinsidekæde (aminophenylalanin). Som gratis anilin, denne aminosyre katalyserer reaktionen af ​​aldehyder med hydraziner eller hydroxylaminer til fremstilling af hydrazoner eller oximer, henholdsvis.

For at øge enzymets aktivitet, forskerne producerede enzymvarianter med mutationer i aminosyrer nær anilinsidekæden. Screening af omkring 400 mutanter gav to kandidater med bedre aktivitet, hvoraf den ene blev udsat for en anden evolutionær runde. Dette førte til opdagelsen af ​​mere gavnlige mutationer. For at identificere synergetiske effekter, flere gunstige mutationer blev kombineret for at producere yderligere varianter. På denne måde det var muligt at øge enzymets konverteringshastighed med en faktor 90.

Forskerne understreger, at beslægtet med naturlige enzymer, "denne drastiske stigning er baseret på at styrke den iboende katalytiske aktivitet i anilinsidekæden. Vi agter at bruge dette princip til at inkorporere yderligere organiske katalysatorer som sidekæder i enzymer, og at bruge rettet evolution til at omdanne disse til yderst effektive designerenzymer, der hurtigt og effektivt kan udføre syntetisk vigtige reaktioner, som ellers kun ville køre meget langsomt."