Ny algoritme afslører cellefabrikkers hemmeligheder

Lægemiddelmolekyler og biobrændstoffer kan fremstilles på bestilling af levende cellefabrikker, hvor biologiske enzymer gør jobbet. Nu har forskere på Chalmers Teknologiske Universitet udviklet en computermodel, der kan forudsige, hvor hurtigt enzymer virker, hvilket gør det muligt at finde de mest effektive levende fabrikker, samt at studere komplekse sygdomme. Deres resultater er offentliggjort i Nature Catalysis .

"At studere ethvert naturligt enzym med eksperimenter i et laboratorium ville være umuligt, de er simpelthen for mange. Men med vores algoritme kan vi forudsige, hvilke enzymer der er mest lovende blot ved at se på rækkefølgen af ​​aminosyrer, de består af." siger Eduard Kerkhoven, forsker i systembiologi ved Chalmers University of Technology og studiets hovedforfatter.

Kun de mest lovende enzymer skal testes

Enzymomsætningstallet eller k_cat værdi, beskriver hvor hurtigt og effektivt et enzym virker og er afgørende for at forstå en celles stofskifte. I det nye studie har Chalmers-forskere udviklet en computermodel, der hurtigt kan beregne k_katten værdi. Den eneste information, der er nødvendig, er rækkefølgen af ​​de aminosyrer, der opbygger enzymet - noget, der ofte er bredt tilgængeligt i åbne databaser. Når modellen har foretaget et første valg, er det kun de mest lovende enzymer, der skal testes i laboratoriet.

I betragtning af antallet af naturligt forekommende enzymer mener forskerne, at den nye beregningsmodel kan få stor betydning.

"Vi ser mange mulige bioteknologiske anvendelser. For eksempel kan biobrændstoffer produceres, når enzymer nedbryder biomasse i en bæredygtig fremstillingsproces. Algoritmen kan også bruges til at studere sygdomme i stofskiftet, hvor mutationer kan føre til defekter i, hvordan enzymer i menneskekroppens arbejde," siger Eduard Kerkhoven.

Mere viden om enzymproduktion

Flere mulige anvendelser er mere effektiv produktion af produkter fremstillet af naturlige organismer i modsætning til industrielle processer. Penicillin udvundet fra en skimmelsvamp er et sådant eksempel, samt kræftlægemidlet taxol fra taks og sødemidlet stevia. De produceres typisk i små mængder af naturlige organismer.

"Udvikling og fremstilling af nye naturprodukter kan i høj grad hjælpes af viden om, hvilke enzymer der kan bruges," siger Eduard Kerkhoven.

Beregningsmodellen kan også pege på ændringerne i k_cat værdi, der opstår, hvis enzymer muterer, og identificere uønskede aminosyrer, der kan have stor indflydelse på et enzyms effektivitet. Modellen kan også forudsige, om enzymerne producerer mere end ét "produkt."

"Vi kan afsløre, om enzymerne har nogen 'måneskinsaktiviteter' og producerer metabolitter, der ikke er ønskværdige. Det er nyttigt i industrier, hvor man ofte ønsker at fremstille et enkelt rent produkt."

Forskerne testede deres model ved at bruge 3 millioner k_cat værdier til at simulere stofskifte i mere end 300 typer gær. De skabte computermodeller af, hvor hurtigt gæren kunne vokse eller producere bestemte produkter, såsom ethanol. Sammenlignet med målt, allerede eksisterende viden, konkluderede forskerne, at modeller med forudsagt k_cat værdier kunne nøjagtigt simulere metabolisme. + Udforsk yderligere

Effektiv modifikation af enzymfunktion ved hjælp af beregningsvidenskab