Эффективная модификация функций ферментов с помощью вычислительных методов

Биопроизводство использует ферментативные реакции для получения соединений, служащих материалами для фармацевтики, продуктов питания, волокон и пластмасс. Оно проводится в водных растворителях при нормальных температуре и давлении, в отличие от традиционных химических реакций с использованием нефтепроизводных органических растворителей при высоких температуре и давлении. Поэтому биопроизводство рассматривается как перспективная технология, способная снизить эксплуатационные расходы и воздействие на окружающую среду, например, за счёт обработки сточных вод. Для промышленного применения ферментов важна дальнейшая оптимизация их функций.

Ферменты образуют специфические комплексные структуры со своим субстратом для реакции. В зависимости от типов фермента и субстрата может образовываться несколько различных комплексов, что приводит к появлению побочных продуктов и снижению выхода целевого соединения. Чтобы решить эту проблему, необходимо найти и модифицировать аминокислотные остатки, участвующие в функции фермента, среди сотен или тысяч аминокислот, из которых он состоит. Для этого были разработаны метод эволюционной молекулярной инженерии и различные методы рационального дизайна. Эволюционный метод требует многократного производства и тестирования различных модифицированных ферментов, что связано с огромными затратами времени, труда и средств для получения оптимального варианта. Рациональный дизайн позволяет сэкономить трудозатраты на тесты, предсказывая сайты для модификации на основе информации, например, о трёхмерных структурах ферментов и субстратов. Однако методы, специализирующиеся именно на подавлении побочных продуктов, ранее разработаны не были.

Исследователи из AIST в сотрудничестве с KNC Laboratories Co., Ltd. разработали вычислительный метод для предсказания аминокислотных сайтов, контролирующих ферментативные реакции (Mutation Site Prediction method for Enhancing the Regioselectivity of substrate reaction sites, MSPER). Этот метод был применён для модификации фермента цитохрома P450 (P450), используемого в производстве парфюмерного сырья. Выход целевого соединения увеличился до 6.4 раз по сравнению с немодифицированным ферментом.

MSPER подавляет образование побочных продуктов, предсказывая и модифицируя аминокислотные сайты, участвующие в их производстве. Для этого используется структурная информация, полученная из симуляционного анализа, воспроизводящего множественные фермент-субстратные комплексы, образующиеся в реакции. Метод позволяет сузить область модификации фермента, что снижает количество оценочных тестов для проверки функции до 1/170 – 1/1000 от количества, требуемого традиционными методами случайного мутагенеза.