Ancestors of Arylmalonate Decarboxylase show increased Activity, Stability and Stereoselectivity
En employant la reconstruction de séquences ancestrales, des chercheurs ont conçu des ancêtres de l'arylmalonate décarboxylase qui présentent une stabilité thermique, une activité catalytique et une stéréosélectivité significativement accrues par rapport à l'enzyme actuelle, surmontant ainsi les limitations clés de la production d'acides carboxyliques chiraux.
Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA d'un preprint qui n'a pas été évalué par des pairs. Ce n'est pas un avis médical. Ne prenez pas de décisions de santé basées sur ce contenu. Lire la clause de non-responsabilité complète
Dans le monde microscopique de la biologie, la vie repose sur de minuscules machines moléculaires appelées enzymes pour accélérer les réactions chimiques qui, autrement, prendraient une éternité. Ces protéines sont les forces motrices de la nature, construisant tout, de l'ADN dans nos cellules aux médicaments que nous prenons. Cependant, lorsque les scientifiques tentent d'utiliser ces enzymes naturelles dans des usines pour produire des médicaments ou des matériaux, ils sont souvent confrontés à un problème frustrant : les enzymes sont trop fragiles. Elles se désintègrent lorsque la température augmente légèrement ou lorsqu'elles sont utilisées trop longtemps, rendant les processus industriels coûteux et inefficaces. De plus, de nombreuses enzymes naturelles ne sont pas assez sélectives ; elles peuvent créer un mélange de deux versions miroirs d'une molécule, alors qu'une seule version est sûre ou efficace pour l'usage humain. Pour résoudre cela, les chercheurs se tournent vers une méthode qui regarde vers le passé pour aller de l'avant. En utilisant des modèles informatiques pour reconstruire les empreintes génétiques d'enzymes anciennes et disparues depuis longtemps, ils peuvent tester ces protéines « ancestrales » en laboratoire. Souvent, ces versions anciennes sont plus robustes et plus polyvalentes que leurs descendantes modernes, offrant une nouvelle source d'outils solides pour l'industrie moderne.
Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission d'améliorer une enzyme spécifique connue sous le nom d'arylmalonate décarboxylase, ou AMDase. Cette enzyme est précieuse car elle peut éliminer un groupe dioxyde de carbone de certaines molécules pour créer des acides carboxyliques chiraux, qui sont des blocs de construction essentiels pour les anti-inflammatoires non stéroïdiens comme l'ibuprofène et le naproxène. La version naturelle de cette enzyme, présente dans une bactérie appelée Bordetella bronchiseptica, fonctionne bien en laboratoire mais présente des inconvénients importants pour une utilisation à grande échelle. Elle est instable, perdant la moitié de son activité en seulement un peu plus d'une heure à des températures modérées, et elle peine avec certains types de matières premières, particulièrement celles possédant des groupes volumineux attachés. Elle échoue également parfois à produire la forme la plus pure de la molécule de médicament souhaitée. Pour corriger ces problèmes, les scientifiques n'ont pas tenté de modifier l'enzyme moderne pièce par pièce. Au lieu de cela, ils ont construit un arbre généalogique de l'histoire de l'enzyme et l'ont utilisé pour prédire l'apparence de ses ancêtres il y a des millions d'années. Ils ont synthétisé les gènes de dix de ces ancêtres anciens et les ont testés pour voir s'ils possédaient la durabilité et la précision qui manquaient à la version moderne.
Les résultats furent frappants. Les chercheurs ont découvert que plusieurs de ces enzymes anciennes étaient bien supérieures à l'enzyme moderne. Un ancêtre particulier, que l'équipe a nommé N131, s'est distingué comme un champion de la stabilité. Alors que l'enzyme moderne se décompose rapidement lorsqu'elle est chauffée, N131 est restée active pendant des centaines d'heures dans les mêmes conditions. En fait, à une température de 45 degrés Celsius, l'enzyme moderne n'a duré qu'environ une heure et demie, tandis que N131 a survécu pendant plus de 380 heures. Cette amélioration massive de la longévité signifiait que N131 pouvait produire des centaines de fois plus de produit avant de s'épuiser. L'équipe a également découvert que N131 était plus rapide dans sa tâche, convertissant les matières premières en produit final plus efficacement que l'enzyme moderne. Lorsqu'ils ont testé les enzymes anciennes à l'échelle préparative, produisant un gramme complet du produit chimique, N131 a accompli la tâche en seulement 31 minutes, dépassant nettement la version moderne.
Pour comprendre pourquoi N131 était si robuste, les chercheurs ont effectué des simulations informatiques détaillées de la structure de la protéine. Ils ont découvert que l'enzyme ancienne avait acquis un manteau de groupes chimiques à charge négative sur sa surface, ce qui manquait à la version moderne. Ces groupes agissaient comme un bouclier protecteur, maintenant une couche serrée de molécules d'eau autour de la protéine. Cette couche d'hydratation empêchait l'enzyme de s'agglutiner et de se désintégrer lorsqu'elle était chauffée. C'était une solution naturelle à un problème que les ingénieurs modernes peinent souvent à résoudre. Au-delà de la stabilité, les enzymes anciennes ont également montré une précision accrue. Un ancêtre, nommé N31, a produit un bloc de construction de médicament avec une pureté optique de 99,7 %, ce qui signifie que presque chaque molécule créée était la bonne image miroir. Ce niveau de pureté est crucial pour les produits pharmaceutiques, car la mauvaise image miroir peut être inefficace ou même nocive.
L'étude a également exploré si ces enzymes anciennes pouvaient traiter des matières premières que la version moderne rejetait. L'enzyme moderne ne peut pas traiter certaines molécules possédant des groupes éthyle, mais l'ancêtre N131 a pu les convertir totalement. Les chercheurs ont également démontré qu'ils pouvaient inverser la préférence de l'enzyme, la faisant produire l'image miroir opposée de la molécule de médicament en échangeant seulement deux acides aminés spécifiques dans le site actif. Cette flexibilité a montré que les enzymes anciennes n'étaient pas seulement des versions plus fortes de l'enzyme moderne, mais aussi plus adaptables. En combinant l'évolution naturelle du passé avec l'ingénierie moderne, l'équipe a créé un biocatalyseur plus rapide, plus durable et plus précis. Ce travail suggère qu'en scrutant l'histoire évolutive profonde des enzymes, on peut révéler des solutions cachées aux problèmes de stabilité et de sélectivité qui limitent actuellement la production de médicaments vitaux.
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