Ученые выяснили, как ферменты эволюционировали для работы при низких температурах
Ферменты — белки, ускоряющие биохимические реакции (катализ) в клетках, — адаптировались к среде обитания своих организмов-хозяев. У каждого фермента есть оптимальный температурный диапазон, в котором его функциональность максимальна. Для человека это около 37 °C. Однако некоторые организмы, такие как бактерии, процветают в экстремальных условиях, например, в горячих источниках или ледяных полярных водах. Ферменты этих экстремофилов адаптированы к функционированию в суровых условиях.
Считается, что самые ранние формы жизни были термофилами, которые постепенно адаптировались к более низким температурам по мере остывания Земли. Способность фермента сохранять каталитическую активность при низких температурах связана с гибкостью его молекулярной структуры. Однако точные молекулярные механизмы этой адаптации оставались неясными.
Поскольку предковые ферменты больше не существуют, ученые используют технику реконструкции предковых последовательностей (ASR), чтобы изучать их эволюцию. ASR сочетает молекулярную филогенетику с генетической и белковой инженерией для вывода и реконструкции генетических или белковых последовательностей вымерших организмов, используя филогенетически родственные последовательности ныне живущих видов.
3-Изопропилмалатдегидрогеназа (IPMDH) — фермент, участвующий в биосинтезе лейцина, — является отличным кандидатом для изучения термостабильности и холодовой адаптации из-за своей обширной эволюционной истории.
Исследовательская группа под руководством профессора Сатоши Аканумы из Университета Васэда (Япония) проследила эволюцию IPMDH от фермента самого древнего общего термофильного предка до мезофильной бактерии Escherichia coli с помощью ASR.
«Мы реконструировали 11 промежуточных предковых ферментов вдоль эволюционной траектории, связывающей последнего общего бактериального предка и IPMDH E. coli (EcIPMDH), — объясняет Аканума. — После этого мы проанализировали изменения ферментативной активности на каждой эволюционной стадии, особенно улучшения каталитической активности при низких температурах».
Ученые наблюдали заметное увеличение каталитической активности при 25 °C, которое не следовало постепенному, линейному паттерну. Вместо этого резкое улучшение произошло между пятым (Anc05) и шестым (Anc06) промежуточными предками.
Что вызвало этот внезапный скачок ферментативной эффективности?
Чтобы найти лежащие в основе молекулярные механизмы, исследователи сравнили аминокислотные последовательности предковых ферментов и использовали сайт-направленный мутагенез — технику, позволяющую точно изменять последовательности ДНК и белков.
Они идентифицировали три ключевые аминокислотные замены, которые значительно усилили каталитическую активность при 25 °C. Удивительно, но эти мутации произошли далеко от активного сайта, что бросает вызов прежнему убеждению, что температурная адаптация в первую очередь обусловлена модификациями активного центра.
Молекулярно-динамическое моделирование выявило ключевое структурное изменение между Anc05 и Anc06. В то время как Anc05 оставался в открытой конформации, Anc06 мог принимать частично закрытую конформацию, снижая энергию активации и повышая ферментативную эффективность при низких температурах.
Этот переход произошел 2,5–2,1 миллиарда лет назад, что совпало с Великим кислородным событием, которое привело к резкому снижению содержания метана в атмосфере и глобальному похолоданию. Исследователи предполагают, что это изменение климата могло стимулировать адаптацию ферментов к более низким температурам.
«Применение этого подхода к различным ферментам, как ожидается, покажет, как организмы и их ферменты эволюционировали в ответ на изменения окружающей среды Земли за последние четыре миллиарда лет», — заключает Аканума.
Помимо фундаментальных исследований, эти результаты могут помочь в биоинженерии ферментов для применения в биотехнологии, фармацевтике и науках об окружающей среде.