Учёные сняли молекулярное кино о работе фермента карбоангидразы II

Исследователи под руководством профессора Чае Ун Кима из Департамента физики UNIST впервые отследили каталитический путь фермента карбоангидразы II (CAII), превращающего диоксид углерода (CO₂) в бикарбонат. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Достижение стало возможным благодаря новой технологии, позволившей создать молекулярное кино, изображающее каталитический путь CAII. Результаты исследования проливают новый свет на роль молекул воды в ферментативном катализе и могут внести вклад в разработку новых лекарств и биоинспирированных катализаторов.

CAII — белковый катализатор, играющий ключевую роль в превращении CO₂ в ионы бикарбоната, легко растворяющиеся в крови. В активном центре фермента CO₂ связывается и превращается в бикарбонат с поразительной скоростью более 1 миллиона раз в секунду. Промежуточные стадии этой реакции считались невозможными для прямого наблюдения из-за их чрезвычайно высокой скорости.

Чтобы преодолеть эту проблему, команда использовала собственную технологию молекулярного кино, чтобы зафиксировать весь процесс реакции — от связывания CO₂ до высвобождения бикарбоната. Анализируя рентгеноструктурные данные фермента при различных температурах, учёные обнаружили, что перестройка и замещение молекул воды в активном центре являются ключевыми факторами, определяющими скорость высвобождения продукта.

Методика включает несколько этапов:

1. Фермент охлаждают до температуры -183°C.
2. Вводят фоточувствительный субстрат (3NPA), который поставляет CO₂ в активный центр при облучении ультрафиолетовым светом.
3. Температуру постепенно повышают до -73°C, фиксируя структурные изменения на каждом этапе с помощью рентгеновской кристаллографии.

Реконструировав эти структурные данные в хронологическом порядке, исследователи создали молекулярное замедленное кино, раскрывающее детали каталитического процесса.

Джин Кюн Ким, первый автор исследования, заявил: «Нам удалось напрямую наблюдать промежуточное состояние реакции на атомном уровне, которое появляется только в температурном диапазоне от -113°C до -93°C. Это первый случай, когда такая быстрая ферментативная реакция была структурно зафиксирована».

Профессор Ким добавил: «Вновь открытый принцип может быть применён не только в белковой инженерии и разработке лекарств, но и при проектировании биоинспирированных катализаторов, точно контролирующих молекулы воды».