Ancestors of Arylmalonate Decarboxylase show increased Activity, Stability and Stereoselectivity
Door middel van ancestrale sequentie-reconstructie hebben onderzoekers de voorouders van arylmalonaat-decarboxylase ontwikkeld die een significant verhoogde thermische stabiliteit, katalytische activiteit en stereoselectiviteit vertonen in vergelijking met het huidige enzym, waarmee de belangrijkste beperkingen in de productie van chirale carbonzuurzuren zijn overwonnen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
In de microscopische wereld van de biologie vertrouwt het leven op kleine moleculaire machines die enzymen worden genoemd om chemische reacties te versnellen die anders eeuwen zouden duren. Deze eiwitten zijn de werkpaarden van de natuur; ze bouwen alles, van het DNA in onze cellen tot de medicijnen die we innemen. Echter, wanneer wetenschappers proberen deze natuurlijke enzymen in fabrieken te gebruiken om medicijnen of materialen te produceren, stuiten ze vaak op een frustrerend probleem: de enzymen zijn te fragiel. Ze vallen uit elkaar wanneer de temperatuur licht stijgt of wanneer ze te lang worden gebruikt, wat industriële processen duur en inefficiënt maakt. Bovendien zijn veel natuurlijke enzymen niet kieskeurig genoeg; ze kunnen een mengsel creëren van twee spiegelbeeldversies van een molecuul, terwijl slechts één versie veilig of effectief is voor menselijk gebruik. Om dit op te lossen, wenden onderzoekers zich tot een methode die achteruit in de tijd kijkt om vooruit te bewegen. Door computermodellen te gebruiken om de genetische blauwdrukken van oude, lang uitgestorven enzymen te reconstrueren, kunnen ze deze "ancestrale" eiwitten in het laboratorium testen. Vaak zijn deze oude versies robuuster en veelzijdiger dan hun moderne afstammelingen, wat een frisse bron biedt van sterke instrumenten voor de moderne industrie.
Een team van onderzoekers zette zich in om een specif কোনটি specifiek enzym te verbeteren dat bekend staat als arylmalonaat-decarboxylase, of AMDase. Dit enzym is waardevol omdat het een koolstofdioxidegroep kan verwijderen van bepaalde moleculen om chirale carbonzuurverbindingen te creëren, die essentiële bouwstenen zijn voor niet-steroïde ontstekingsremmende middelen zoals ibuprofen en naproxen. De natuurlijke versie van dit enzym, gevonden in een bacterie genaamd Bordetella bronchiseptica, werkt goed in het laboratorium, maar heeft aanzienlijke nadelen voor grootschalig gebruik. Het is onstabiel, waarbij het in slechts iets meer dan een uur bij gematigde temperaturen de helft van zijn activiteit verliest, en het heeft moeite met bepaalde soorten grondstoffen, met name die met kleine, volumineuze groepen eraan vastgeplakt. Het slaagt er ook soms niet in om de zuiverste vorm van het gewenste medicijnmolecuul te produceren. Om deze problemen op te lossen, probeerden de wetenschappers niet het moderne enzym stukje bij beetje aan te passen. In plaats daarvan bouwden ze een stamboom van de geschiedenis van het enzym en gebruikten ze deze om te voorspellen hoe de voorouders er miljoenen jaren geleden uitzagen. Ze synthetiseerden de genen voor tien van deze oude voorouders en testten of zij de duurzaamheid en precisie bezaten die de moderne versie miste.
De resultaten waren opmerkelijk. De onderzoekers ontdekten dat verschillende van deze oude enzymen veel superieur waren aan de moderne variant. Eén specifieke voorouder, die het team N131 noemde, viel op als een kampioen van stabiliteit. Terwijl het moderne enzym snel uit elkaar valt bij verhitting, bleef N131 honderden uren actief onder dezelfde omstandigheden. Sterker nog, bij een temperatuur van 45 graden Celsius hield het moderne enzym slechts ongeveer anderhalf uur vol, terwijl N131 meer dan 380 uur overleefde. Deze enorme verbetering in levensduur betekende dat N131 honderden keren meer product kon produceren voordat het uitwerkte. Het team ontdekte ook dat N131 sneller was in zijn werk, door grondstoffen efficiënter om te zetten in het eindproduct dan het moderne enzym. Wanneer ze de oude enzymen op preparatieve schaal testten, waarbij een volle gram van de chemische stof werd geproduceerd, voltooide N131 de taak in slechts 31 minuten, waarmee het de moderne versie aanzienlijk overtrof.
Om te begrijpen waarom N131 zo veel sterker was, voerden de onderzoekers gedetailleerde computersimulaties uit van de structuur van het eiwit. Ze ontdekten dat het oude enzym een laag van negatief geladen chemische groepen op zijn oppervlak had verkregen die de moderne versie miste. Deze groepen fungeerden als een beschermend schild, dat een strakke laag watermoleculen rond het eiwit vasthield. Deze hydratatieschil voorkwam dat het enzym samenklonterde en uit elkaar viel bij verhitting. Het was een natuurlijke oplossing voor een probleem waar moderne ingenieurs vaak mee worstelen. Naast stabiliteit vertoonden de oude enzymen ook verbeterde precisie. Eén voorouder, genaamd N31, produceerde een bouwsteen voor een medicijn met een optische zuiverheid van 99,7 procent, wat betekent dat bijna elk gecreëerd molecuul het juiste spiegelbeeld was. Dit niveau van zuiverheid is cruciaal voor farmaceutica, aangezien het verkeerde spiegelbeeld ineffectief of zelfs schadelijk kan zijn.
De studie onderzocht ook of deze oude enzymen de grondstoffen konden verwerken die de moderne versie afwees. Het moderne enzym kan bepaalde moleculen met ethylgroepen niet verwerken, maar de voorouder N131 kon deze volledig omzetten. De onderzoekers demonstreerden ook dat ze de voorkeur van het enzym konden omdraaien, waardoor het het tegenovergestelde spiegelbeeld van het medicijnmolecuul produceert door slechts twee specifieke aminozuren in het actieve centrum te verwisselen. Deze flexibiliteit toonde aan dat de oude enzymen niet alleen sterkere versies van de moderne waren, maar ook aanpasbaarder. Door de natuurlijke evolutie van het verleden te combineren met moderne techniek, creëerde het team een biokatalysator die sneller, langer houdbaar en nauwkeuriger is. Dit werk suggereert dat het kijken in de diepe evolutionaire geschiedenis van enzymen verborgen oplossingen kan onthullen voor de stabiliteits- en selectiviteitsproblemen die momenteel de productie van levensreddende medicijnen beperken.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.