211service.com
Enzīmi, kas izveidoti no nulles
Liels solis uz priekšu skaitļošanas olbaltumvielu projektēšanā zinātnieki no nulles ir izveidojuši sauju fermentu, kas veiksmīgi katalizē noteiktu ķīmisko reakciju. Šiem proteīniem nav dabā sastopamu līdzinieku, un reakcijai, kas noārda cilvēka radīto ķīmisko vielu, nav dabiska katalizatora.
Radošuma katalizators: Pētnieki izstrādāja skaitļošanas metodi, lai izveidotu fermentus no nulles. Enzīms, ko sauc par retro-aldolāzi, kura daļa ir parādīta iepriekš, tika izstrādāts, lai pārtrauktu oglekļa-oglekļa saites nedabiskā ķīmiskā substrātā (dzeltenā un baltā nūju modelis). Pelēkā sieta ir fermenta aktīvā vieta, tās ģeometrija ir rūpīgi izveidota, lai noturētu substrātu savā vietā. Oranžie un zaļie nūju modeļi norāda uz fermenta komponentiem, kas ir īpaši svarīgi reakcijas virzīšanai uz priekšu.
Tas skaidri parāda, ka mēs varam aprēķināt struktūru, kas katalizēs reakciju tur, kur agrāk tādas nebija, saka Frānsisa Arnolda , ķīmijas inženierijas un bioķīmijas profesors plkst Caltech , kurš nebija iesaistīts pētījumā. Arnolds jaunos fermentus sauc par skaitļošanas proteīnu dizaina svēto grālu. Jebkura proteīna projektēšana no nulles ir grūts uzdevums; Proteīna izstrāde, kas var veikt noteiktu funkciju, prasa daudz sarežģītāku.
Deivids Beikers un viņa kolēģi uzņēmumā Vašingtonas Universitāte koncentrējās uz reakciju, kas pārrautu noteiktas saites starp oglekļa atomiem. Spēja izstrādāt fermentus, kas var salauzt un izveidot oglekļa-oglekļa saites, potenciāli ļautu zinātniekiem noārdīt vides toksīnus, ražot zāles un radīt jaunas degvielas.
Kā viņi ziņo žurnālā Zinātne , Beikers un viņa grupa vispirms izstrādāja, kāda būtu ideāla aktīva vietne reakcijai. Aktīvā vieta ir kabata fermentā, kurā notiek katalizētā reakcija. Lai veiktu savu darbu, aktīvajai vietai ir jābūt precīzai ģeometrijai un ķīmiskajam sastāvam, kas ir pielāgots reakcijai, ko tā katalizē. Daži komponenti notur reaģējošās molekulas vietā, bet citi piedalās reakcijas ķīmiskajos mehānismos.
Kad pētnieki bija aprēķinājuši aktīvo vietu, viņi izmantoja jaunizveidotu algoritmu komplektu, lai modelētu proteīnus, kuriem ir šāda vieta. Katrs izstrādātais proteīns tika sarindots atbilstoši tā spējai saistīt reaģējošās ķīmiskās vielas un noturēt tās pareizā stāvoklī.
Nākamais solis bija faktiski sintezēt atlasītās olbaltumvielas. Pētnieki atvasināja gēnu sekvences 72 izstrādātajiem enzīmiem, pasūtīja DNS fragmentus, kas satur šos gēnus, un izmantoja baktērijas, lai pārvērstu gēnus proteīnos. Pēc tam tika pārbaudīta katra proteīna spēja katalizēt oglekļa-oglekļa saites pārraušanas reakciju.
No 72 atlasītajiem proteīniem 32 veiksmīgi palīdzēja reakcijai. Visefektīvākās olbaltumvielas paātrina reakciju līdz 10 000 reižu ātrumam bez fermenta.
Lai gan tas ir iespaidīgs sasniegums salīdzinājumā ar iepriekšējiem enzīmu izstrādes mēģinājumiem, sintezētie enzīmi ir bāli salīdzinājumā ar dabiski sastopamajiem fermentiem. Tas nemaz nav ļoti labi, saka Beikers. Dabiski sastopamie enzīmi var palielināt reakciju ātrumu par daudz, daudz lielākām summām – pat kvadriljonu reižu.
Viena no mūsu pētniecības problēmām ir noskaidrot, kas trūkst mūsu dizainparaugiem, ko ir atklājuši dabiski sastopamie fermenti, saka Beikers. Turpmākajos pētījumos viņa grupa ir izmantojusi divas pieejas šai problēmai: pilnveidojot datoru algoritmus un aicinot dabu iejaukties tur, kur pētnieki pārtrauca. Izmantojot savus minimāli funkcionālos fermentus kā evolūcijas sākumpunktus, pētnieki var izmantot virzītu evolūciju, lai radītu efektīvākus katalizatorus.
Agrāk virzīta evolūcija bija alternatīva pieeja vēlamo fermentu radīšanai. Bet Beikers uzskata, ka to var izmantot kā papildinājumu skaitļošanas pieejām. Skaitļošanas dizains sniedz pētniekiem iespēju veidot proteīnus no paša sākuma, ļaujot viņiem izstrādāt fermentus reakcijām, kurām nav dabiska līdzinieka. Tādā veidā mēs būtu brīvi no tirānijas, ka dabā ir jāatrod kaut kas, no kā sākt, saka Arnolds, kura darbs lielā mērā ir vērsts uz virzītu evolūciju.
Taču virzīta evolūcija nodrošina veidu, kā veikt tos strukturālos uzlabojumus, ar kuriem skaitļošanas projektēšanas algoritmi vēl nav pietiekami sarežģīti. Tas patiesībā ir nākotnes vilnis, saka Beikers, jo šie virzītās evolūcijas eksperimenti var aptvert daudz smalkākas lietas, nekā mēs varam aptvert aprēķinos.
Baker’s nav pirmā grupa, kas risina skaitļošanas enzīmu izstrādi. Piemēram, Caltech bioķīmiķis Stīvs var 2001. gadā skaitļošanas proteīnu projektēšanas pionieris ziņoja par fermentu izveidi no esošajiem neenzīmu proteīniem. Taču Beikera pieeja atšķiras ar to, ka tajā netiek izmantoti esošie proteīni kā sākumpunkts — tā ir patiesa de novo konstrukcija.
Arnolds saka, ka Beikera enzīmi ir arī spēcīgāki par Mayo, taču ir grūti precīzi noteikt, cik daudz vairāk. Tas ir cita veida ferments, tāpēc jūs nevarat īsti salīdzināt ābolus un apelsīnus, viņa saka. Bet tas ir diezgan labs ābols.