Ancestors of Arylmalonate Decarboxylase show increased Activity, Stability and Stereoselectivity
Impiegando la ricostruzione delle sequenze ancestrali, i ricercatori hanno ingegnerizzato antenati dell'arilmalonato decarbossilasi che esibiscono una stabilità termica, un'attività catalitica e una stereoselettività significativamente potenziate rispetto all'enzima estante, superando le limitazioni chiave nella produzione di acidi carbossilici chirali.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
Nel mondo microscopico della biologia, la vita si affida a minuscole macchine molecolari chiamate enzimi per accelerare reazioni chimiche che altrimenti richiederebbero un tempo infinito. Queste proteine sono i cavalli di battaglia della natura, costruendo tutto, dal DNA nelle nostre cellule ai medicinali che assumiamo. Tuttavia, quando gli scienziati cercano di utilizzare questi enzimi naturali nelle fabbriche per produrre farmaci o materiali, spesso si scontrano con un problema frustrante: gli enzimi sono troppo fragili. Si sfaldano quando la temperatura sale leggermente o quando vengono utilizzati per troppo tempo, rendendo i processi industriali costosi e inefficienti. Inoltre, molti enzimi naturali non sono abbastanza selettivi; potrebbero creare una miscela di due versioni speculari di una molecola, quando solo una versione è sicura o efficace per l'uso umano. Per risolvere questo problema, i ricercatori si stanno rivolgendo a un metodo che guarda all'indietro nel tempo per andare avanti. Utilizzando modelli informatici per ricostruire le mappe genetiche di antichi enzimi ormai estinti da tempo, possono testare queste proteine "ancestrali" in laboratorio. Spesso, queste versioni antiche sono più robuste e versatili dei loro discendenti moderni, offrendo una nuova fonte di strumenti resistenti per l'industria moderna.
Un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di migliorare un enzima specifico noto come arilmalato decarbossilasi, o AMDasi. Questo enzima è prezioso perché può rimuovere un gruppo di anidride carbonica da certe molecole per creare acidi carbossilici chirali, che sono mattoni essenziali per farmaci antinfiammatori non steroidei come l'ibuprofene e il naprossene. La versione naturale di questo enzima, trovata in un batterio chiamato Bordetella bronchiseptica, funziona bene in laboratorio ma presenta significativi svantaggi per l'uso su larga scala. È instabile, perdendo metà della sua attività in poco più di un'ora a temperature moderate, e fatica con certi tipi di materie prime, in particolare quelle con gruppi piccoli e ingombranti attaccati ad esse. A volte, inoltre, non riesce a produrre la forma più pura della molecola desiderata. Per risolvere questi problemi, gli scienziati non hanno cercato di modificare l'enzima moderno pezzo per pezzo. Inveve, hanno costruito un albero genealogico della storia dell'enzima e lo hanno usato per predire come apparissero i suoi antenati milioni di anni fa. Hanno sintetizzato i geni di dieci di questi antichi antenati e li hanno testati per vedere se possedessero la durata e la precisione di cui manca la versione moderna.
I risultati sono stati sorprendenti. I ricercatori hanno scoperto che diversi di questi antichi enzimi erano molto superiori a quello moderno. Un particolare antenato, che il team ha chiamato N131, si è distinto come un campione di stabilità. Mentre l'enzima moderno si decompone rapidamente quando viene riscaldato, N131 è rimasto attivo per centinaia di ore nelle stesse condizioni. Infatti, a una temperatura di 45 gradi Celsius, l'enzima moderno è durato solo circa un'ora e mezza, mentre N131 è sopravvissuto per oltre 380 ore. Questo enorme miglioramento nella longevità significava che N131 poteva produrre centinaia di volte più prodotto prima di esaurirsi. Il team ha anche scoperto che N131 era più veloce nel suo lavoro, convertendo le materie prime nel prodotto finale in modo più efficiente rispetto all'enzima moderno. Quando hanno testato gli antichi enzimi su scala preparativa, producendo un grammo intero della sostanza chimica, N131 ha completato il compito in soli 31 minuti, superando significativamente la versione moderna.
Per capire perché N131 fosse così resistente, i ricercatori hanno eseguito simulazioni informatiche dettagliate della struttura della proteina. Hanno scoperto che l'antico enzima aveva acquisito un rivestimento di gruppi chimici carichi negativamente sulla sua superficie, che la versione moderna non possedeva. Questi gruppi agivano come uno scudo protettivo, trattenendo uno strato compatto di molecole d'acqua attorno alla proteina. Questo guscio di idratazione impediva all'enzima di raggrupparsi e sfaldarsi quando riscaldato. Era una soluzione naturale a un problema che gli ingegneri moderni spesso faticano a risolvere. Oltre alla stabilità, gli antichi enzimi hanno mostrato anche una precisione migliorata. Un antenato, chiamato N31, ha prodotto un componente fondamentale del farmaco con una purezza ottica del 99,7 percento, il che significa che quasi ogni molecola creata era l'immagine speculare corretta. Questo livello di purezza è cruciale per l'industria farmaceutica, poiché l'immagine speculare errata può essere inefficace o addirittura dannosa.
Lo studio ha anche esplorato se questi antichi enzimi potessero gestire materie prime che la versione moderna rifiuterebbe. L'enzima moderno non può processare certe molecole con gruppi etilici, ma l'antenato N131 è riuscito a convertirle completamente. I ricercatori hanno anche dimostrato di poter invertire la preferenza dell'enzima, rendendolo capace di produrre l'immagine speculare opposta della molecola del farmaco semplicemente scambiando due specifici amminoacidi nel sito attivo. Questa flessibilità ha dimostrato che gli antichi enzimi non erano solo versioni più forti di quello moderno, ma anche più adattabili. Combinando l'evoluzione naturale del passato con l'ingegneria moderna, il team ha creato un biocatalizzatore che è più veloce, più duraturo e più preciso. Questo lavoro suggerisce che guardare nella profonda storia evolutiva degli enzimi può rivelare soluzioni nascoste ai problemi di stabilità e selettività che attualmente limitano la produzione di medicinali salvavita.
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