Простое выражение для активности ферментов поможет биотехнологам
Учёные из RIKEN обнаружили неожиданную взаимосвязь, управляющую активностью ферментов — молекул, катализирующих почти все химические реакции жизни. Это открытие поможет исследователям выбирать и создавать лучшие ферменты для биотехнологических применений. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Вся жизнь зависит от ферментов — без них большинство биохимических реакций протекало бы слишком медленно. Ферменты функционируют, связываясь с соединением-субстратом.
Активность ферментов — мера того, насколько они ускоряют реакцию — обычно описывается математически с учётом трёх скоростей: скорости связывания субстрата с ферментом, скорости обратного процесса и скорости превращения субстрата в продукт реакции.
Каждый из этих трёх этапов характеризуется численной константой скорости. При объединении этих констант в уравнение возникает величина Km. Она отражает сродство фермента к субстрату: меньшие значения Km указывают на большее сродство.
Математический анализ, проведённый тремя учёными из RIKEN, выявил удивительно простую взаимосвязь между значением Km фермента и условиями, в которых он будет наиболее активным среди ферментов, катализирующих одну и ту же реакцию.
«Теория предсказывает, что лучший фермент — это тот, чей Km равен концентрации субстрата, — говорит Хидэси Оока из Центра устойчивых ресурсов RIKEN. — Мы начали это исследование, зная, что получим какую-то формулу для максимальной активности, но никогда не ожидали, что она будет настолько лаконичной. Для меня эта простота показалась математически красивой».
Это понимание побудило команду изучить существующие данные о взаимосвязи между Km и концентрациями субстрата в природе. Результаты подтвердили их гипотезу: обзор более 1000 ферментов показал, что многие работают в условиях, где концентрация их субстрата равна или очень близка к их индивидуальным значениям Km.
«Это говорит о том, что одним из направлений биологической эволюции было обеспечение того, чтобы значения Km ферментов были близки к концентрациям субстрата в их естественной среде», — отмечает Оока.
Помимо нового важного понимания эволюции ферментов, это открытие также поможет исследователям модифицировать или создавать ферменты для биотехнологии.
«Ключевой вывод заключается в том, что Km не должен быть слишком маленьким, что противоречит прежнему предположению, что малый Km всегда лучше, — говорит Оока. — Вместо этого лучшей стратегией будет выбор или создание ферментов со значениями Km, равными концентрациям субстрата, с которыми им предстоит работать».