Эволюционное «путешествие во времени» раскрывает происхождение фермента и возможности для его будущего дизайна
Исследователи использовали эволюционное «путешествие во времени», чтобы изучить, как фермент аденylate kinase (AK) эволюционировал от одного из древнейших организмов Земли до современных людей.
Изучение древних предков
Ученые из Университета Умео (Швеция) под руководством Магнуса Вольфа-Ваца изучили фермент AK из архей типа Odin, обнаруженных в гидротермальных источниках Атлантического океана. Эти археи, относящиеся к типу Asgard, являются ближайшими известными предками эукариотических клеток и существуют около 2–3 миллиардов лет.
Ключевое отличие человеческих ферментов
Ранее команда изучала два человеческих типа этого фермента:
- AK1 — находится в цитоплазме, переносит фосфатную группу от ATP к AMP.
- AK3 — находится в митохондриях, переносит фосфатную группу от GTP к AMP.
С помощью X-ray crystallization и NMR spectroscopy было обнаружено, что ферменты очень похожи, но имеют тонкое различие в короткой петлевой области, которое заставляет AK1 предпочитать ATP, а AK3 — GTP.
Открытие универсального предка
Исследователи очистили и определили структуру AK из Odin archaea. Оказалось, что петля, важная для различения ATP и GTP, у архейного фермента намного длиннее и содержит химические группы, способные связывать любой из нуклеотидов.
«Мы обнаружили раннего предка человеческих AK, который обладает двумя способностями — он может использовать и ATP, и GTP. В ходе эволюции он стал специализированным для одного или другого в зависимости от клеточной компартментации», — поясняет Магнус Вольф-Вац.
Архейный AK может использовать все встречающиеся в природе nucleotide triphosphates (NTPs). Ученые открыли universal NTP binding motif, который может стать строительным блоком для будущего дизайна новых ферментов.
Эволюционный компромисс: стабильность vs. активность
Архейный AK существует в виде тримера (три копии фермента), связанных спиральной структурой. У человеческих AK мутация в этой области делает ферменты мономерными (неспособными связываться друг с другом). Человеческие ферменты, функционирующие независимо, почти в 1000 раз активнее.
По словам Вольфа-Ваца, тримерная структура могла обеспечивать большую стабильность в экстремальных условиях гидротермальных источников, но человеческие ферменты, возможно, пожертвовали этой термостабильностью ради более высокой активности, что важно в более прохладной среде.
Будущие направления
- Инженерия новых ферментов для использования в органическом синтезе или разработке лекарств.
- Изучение других ферментов из Odin archaea для понимания их эволюции.