Ученые создали алгоритм для улучшения ферментов

Ученые разработали новый метод «рационального конструирования» ферментов для повышения их эффективности. Они создали алгоритм, который учитывает эволюционную историю фермента, чтобы определить, где можно внести мутации с высокой вероятностью улучшения функциональности.

Их работа, опубликованная в журнале Nature Communications, может оказать значительное влияние на множество отраслей — от производства продуктов питания до здравоохранения.

Ферменты играют ключевую роль в жизни и важны для разработки инновационных лекарств. Они эволюционировали миллиарды лет через изменения в аминокислотной последовательности, которая определяет их 3D-структуру. Каждый фермент состоит из последовательности в несколько сотен аминокислот.

Современные методы позволяют легко и недорого вносить изменения в аминокислотные последовательности, чтобы улучшить работу ферментов. Однако даже три-четыре случайные мутации могут привести к резкой потере активности.

В новом исследовании ученые описали перспективную стратегию для рационального конструирования фермента бета-лактамазы. Исследователи из Broad Institute и Гарвардской медицинской школы разработали алгоритм, учитывающий эволюционную историю фермента.

Доктор Амир Хан, соавтор исследования из Тринити-колледжа в Дублине: «В основе этого алгоритма — функция оценки, которая использует тысячи последовательностей бета-лактамазы из разных организмов. Вместо нескольких случайных изменений было сгенерировано до 84 мутаций в последовательности из 280 аминокислот для улучшения функциональности. Поразительно, но новые ферменты показали как повышенную активность, так и стабильность при более высоких температурах».

Ив Нэпиер, аспирантка Тринити-колледжа, с помощью рентгеновской кристаллографии определила 3D-структуру нового варианта бета-лактамазы. Её 3D-карта показала, что, несмотря на изменение 30% аминокислот, структура фермента осталась идентичной природной (wild-type). Это также показало, как скоординированные одновременные изменения аминокислот могут эффективно стабилизировать 3D-структуру — в отличие от единичных мутаций, которые обычно её нарушают.

Ив Нэпиер: «В целом, эти исследования показывают, что белки можно сконструировать для улучшения активности за счёт резких "скачков" в новое пространство последовательностей. Эта работа имеет широкое применение в промышленности — в процессах, требующих ферментов для производства продуктов питания, пластик-разрушающих ферментов, а также в сферах, связанных со здоровьем человека».