Ancestors of Arylmalonate Decarboxylase show increased Activity, Stability and Stereoselectivity
Ao empregar a reconstrução de sequências ancestrais, pesquisadores projetaram ancestrais da arilmalonato descarboxilase que exibem estabilidade térmica, atividade catalítica e estereosseletividade significativamente aprimoradas em comparação com a enzima existente, superando limitações fundamentais na produção de ácidos carboxílicos quirais.
Artigo original sob licença CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Esta é uma explicação gerada por IA de um preprint que não foi revisado por pares. Não é aconselhamento médico. Não tome decisões de saúde com base neste conteúdo. Ler aviso legal completo
No mundo microscópico da biologia, a vida depende de minúsculas máquinas moleculares chamadas enzimas para acelerar reações químicas que, de outra forma, demorariam uma eternidade. Estas proteínas são as operárias da natureza, construindo tudo, desde o DNA em nossas células até os medicamentos que tomamos. No entanto, quando os cientistas tentam usar estas enzimas naturais em fábricas para produzir fármacos ou materiais, frequentemente enfrentam um problema frustrante: as enzimas são demasiado frágeis. Elas desmoronam quando a temperatura sobe ligeiramente ou quando são utilizadas durante muito tempo, tornando os processos industriais caros e ineficientes. Além disso, muitas enzimas naturais não são suficientemente seletivas; elas podem criar uma mistura de duas versões de imagem especular de uma molécula, quando apenas uma versão é segura ou eficaz para uso humano. Para resolver isto, os investigadores estão a recorrer a um método que olha para trás no tempo para seguir em frente. Ao utilizar modelos computacionais para reconstruir os projetos genéticos de enzimas antigas e há muito extintas, eles podem testar estas proteínas "ancestrais" no laboratório. Frequentemente, estas versões antigas são mais resistentes e versáteis do que as suas descendentes modernas, oferecendo uma fonte renovada de ferramentas robustas para a indústria moderna.
Uma equipa de investigadores decidiu melhorar uma enzima específica conhecida como arilmalonato descarboxilase, ou AMDase. Esta enzima é valiosa porque pode remover um grupo de dióxido de carbono de certas moléculas para criar ácidos carboxílicos quirais, que são blocos de construção essenciais para anti-inflamatórios não esteroides como o ibuprofeno e o naproxeno. A versão natural desta enzima, encontrada numa bactéria chamada Bordetella bronchiseptica, funciona bem no laboratório, mas apresenta inconvenientes significativos para o uso em larga escala. É instável, perdendo metade da sua atividade em pouco mais de uma hora a temperaturas moderadas, e tem dificuldades com certos tipos de matérias-primas, particularmente aquelas com grupos pequenos e volumosos ligados a elas. Também falha por vezes ao produzir a forma mais pura da molécula de fármaco desejada. Para corrigir estes problemas, os cientistas não tentaram ajustar a enzima moderna peça por peça. Em vez disso, construíram uma árvore genealógica da história da enzima e utilizaram-na para prever como eram os seus antepassados há milhões de anos. Eles sintetizaram os genes para dez destes ancestrais antigos e testaram-nos para ver se possuíam a durabilidade e a precisão de que a versão moderna carecia.
Os resultados foram impressionantes. Os investigadores descobriram que várias destas enzimas antigas eram muito superiores à moderna. Um antepassado em particular, que a equipa nomeou N131, destacou-se como um campeão de estabilidade. Enquanto a enzima moderna se desmorona rapidamente quando aquecida, a N131 permaneceu ativa durante centenas de horas sob as mesmas condições. De facto, a uma temperatura de 45 graus Celsius, a enzima moderna durou apenas cerca de uma hora e meia, enquanto a N131 sobreviveu por mais de 380 horas. Esta melhoria massiva na longevidade significou que a N131 poderia produzir centenas de vezes mais produto antes de se desgastar. A equipa também descobriu que a N131 era mais rápida no seu trabalho, convertendo matérias-primas no produto final de forma mais eficiente do que a enzima moderna. Quando testaram as enzimas antigas numa escala preparativa, produzindo um grama completo do químico, a N131 completou a tarefa em apenas 31 minutos, superando significativamente a versão moderna.
Para compreender por que razão a N131 era tão resistente, os investigadores realizaram simulações computacionais detalhadas da estrutura da proteína. Descobriram que a enzima antiga tinha adquirido um revestimento de grupos químicos de carga negativa na sua superfície, que a versão moderna não possuía. Estes grupos atuavam como um escudo protetor, mantendo uma camada apertada de moléculas de água em torno da proteína. Esta camada de hidratação impedia que a enzima se aglomerasse e se desmoronasse quando aquecida. Era uma solução natural para um problema que os engenheiros modernos frequentemente lutam para resolver. Além da estabilidade, as enzimas antigas também mostraram uma precisão melhorada. Um antepassado, chamado N31, produziu um bloco de construção de fármaco com uma pureza ótica de 99,7 por cento, o que significa que quase todas as moléculas criadas eram a imagem especular correta. Este nível de pureza é crucial para a indústria farmacêutica, pois a imagem especular errada pode ser ineficaz ou até prejudicial.
O estudo também explorou se estas enzimas antigas poderiam lidar com matérias-primas que a versão moderna rejeitava. A enzima moderna não consegue processar certas moléculas com grupos etilo, mas o antepassado N131 conseguiu convertê-las completamente. Os investigadores também demonstraram que podiam inverter a preferência da enzima, fazendo-a produzir a imagem especular oposta da molécula do fármaco, trocando apenas dois aminoácidos específicos no sítio ativo. Esta flexibilidade mostrou que as enzimas antigas não eram apenas versões mais fortes da moderna, mas também mais adaptáveis. Ao combinar a evolução natural do passado com a engenharia moderna, a equipa criou um biocatalisador que é mais rápido, mais duradouro e mais preciso. Este trabalho sugere que olhar para a profunda história evolutiva das enzimas pode revelar soluções ocultas para os problemas de estabilidade e seletividade que atualmente limitam a produção de medicamentos vitais.
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