Ученые создали стабильные ферменты для ненатуральных реакций с почти природной эффективностью

Исследователи под руководством Института науки Вейцмана представили вычислительный метод, который создает ферменты с каталитической эффективностью, превышающей 100 000 M⁻¹ s⁻¹, достигая производительности, сравнимой с природными биокатализаторами, без длительной оптимизации.

Природные ферменты выполняют биохимические превращения с необычайной скоростью и точностью, что является эталоном, которого искусственным катализаторам было трудно достичь. Вычислительные стратегии создавали белки, способные катализировать реакции, не входящие в репертуар природных ферментов, но скорости превращений часто были на много порядков ниже, чем у биологически эволюционировавших катализаторов.

В исследовании "Complete computational design of high-efficiency Kemp elimination enzymes", опубликованном в Nature, ученые разработали полностью вычислительный подход для создания стабильных, активных ферментов с минимальной оптимизацией.

Исследователи сгенерировали тысячи структурных основ TIM-бочонка (одна из самых распространенных белковых укладок среди ферментов) путем комбинаторной сборки и дизайна, комбинируя фрагменты гомологичных белков. В этой укладке остатки центрального β-барреля ориентированы в сторону активного центра, предоставляя множество возможностей для оптимального размещения каталитических и субстрат-связывающих групп.

Остатки активного центра были оптимизированы с помощью атомистических расчетов Rosetta, что дало миллионы дизайнов, отфильтрованных по целевой функции, балансирующей энергию и десольватацию каталитического основания. Всего для экспериментальной проверки было отобрано 73 дизайна; 66 экспрессировались в растворимой форме, а 14 показали кооперативное поведение при термической денатурации.

Введение 5–8 мутаций в активный центр на вариант позволило получить дизайны с повышенной каталитической эффективностью. Один вариант, полученный на основе Des61 (дизайн 61), достиг kcat/KM 3 600 M⁻¹ s⁻¹ (мера каталитической эффективности) и скорости оборота 0,85 s⁻¹ (реакций в секунду).

Восемь дизайнов на основе Des27 достигли каталитических скоростей в 10–70 раз выше исходного, при этом Des27.7 достиг kcat/KM 12 700 M⁻¹ s⁻¹ и kcat 2,85 s⁻¹. Одноточечная мутация, заменяющая Phe113 на лейцин, повысила каталитическую эффективность до 123 000 M⁻¹ s⁻¹, а kcat — до 30 s⁻¹.

Исследователи пришли к выводу, что предорганизация активного центра в сочетании со способностью принимать несколько каталитически компетентных конформаций, связанных с субстратом, отличает этот дизайн от предыдущих примеров. Лучший вариант достиг высокой стабильности (более 85 °C) и каталитической эффективности, сравнимой с природными ферментами.

Результаты подтверждают, что атомистические вычислительные методы уже достаточно надежны для создания эффективных ферментов с природными укладками без итеративного лабораторного скрининга или использования каркасов, сгенерированных искусственным интеллектом.

Будущие достижения в моделировании теоретических ферментов могут позволить полностью программируемую биокаталитическую систему, способную выполнять широкий спектр неиспользуемых решений — от производства продуктов и терапевтических применений до восстановления загрязнений, зеленой химии и промышленного молекулярного синтеза.