211service.com
Fermentai sukurti nuo nulio
Didelį žingsnį į priekį skaičiuojant baltymų projektavimą, mokslininkai nuo nulio sukūrė keletą fermentų, kurie sėkmingai katalizuoja konkrečią cheminę reakciją. Šie baltymai neturi natūralių atitikmenų, o reakcija, kuri suardo žmogaus sukurtą cheminę medžiagą, neturi natūralaus katalizatoriaus.
Kūrybiškumo katalizatorius: Tyrėjai sukūrė skaičiavimo metodą, skirtą fermentams kurti nuo nulio. Fermentas, vadinamas retro-aldolaze, kurio dalis parodyta aukščiau, buvo sukurtas nutraukti anglies-anglies ryšius nenatūraliame cheminiame substrate (geltonos ir baltos lazdelės modelis). Pilkas tinklelis yra aktyvi fermento vieta, jos geometrija kruopščiai sukurta taip, kad substratas laikytųsi vietoje. Oranžinės ir žalios spalvos lazdelių modeliai rodo fermento komponentus, kurie yra ypač svarbūs skatinant reakciją.
Tai aiškiai parodo, kad galime apskaičiuoti struktūrą, kuri katalizuos reakciją ten, kur anksčiau jos nebuvo, sako Francesas Arnoldas , chemijos inžinerijos ir biochemijos profesorius Caltech , kuris tyrime nedalyvavo. Arnoldas naujus fermentus vadina šventuoju skaičiavimo baltymų dizaino graliu. Sukurti bet kokį baltymą nuo nulio yra sudėtinga užduotis; Norint sukurti baltymą, galintį atlikti tam tikrą funkciją, reikia daug sudėtingesnių.
Davidas Bakeris ir jo kolegos Vašingtono universitetas orientuota į reakciją, kuri nutrauktų tam tikrus ryšius tarp anglies atomų. Gebėjimas sukurti fermentus, galinčius nutraukti ir sudaryti anglies ir anglies ryšius, gali padėti mokslininkams suskaidyti aplinkos toksinus, gaminti vaistus ir kurti naujus degalus.
Kaip jie rašo žurnale Mokslas , Bakeris ir jo grupė pirmiausia sukūrė, kaip atrodytų ideali aktyvi svetainė reakcijai. Aktyvioji vieta yra fermento kišenė, kurioje vyksta katalizuojama reakcija. Kad galėtų atlikti savo darbą, aktyvi vieta turi turėti tikslią geometriją ir cheminę struktūrą, pritaikytą jos katalizuojamai reakcijai. Kai kurie komponentai palaiko reaguojančias molekules, o kiti dalyvauja cheminiuose reakcijos mechanizmuose.
Kai mokslininkai apskaičiavo aktyvią vietą, jie naudojo naujai sukurtą algoritmų rinkinį, kad modeliuotų baltymus, turinčius tokią vietą. Kiekvienas sukurtas baltymas buvo reitinguojamas pagal jo gebėjimą surišti reaguojančias chemines medžiagas ir išlaikyti jas tinkamoje padėtyje.
Kitas žingsnis buvo iš tikrųjų susintetinti pasirinktus baltymus. Tyrėjai išvedė 72 suprojektuotų fermentų genų sekas, užsakė DNR fragmentus, kuriuose yra tie genai, ir panaudojo bakterijas, kad genai paverstų baltymais. Tada buvo patikrintas kiekvieno baltymo gebėjimas katalizuoti anglies ir anglies jungties nutraukimo reakciją.
Iš 72 atrinktų baltymų 32 sėkmingai prisidėjo prie reakcijos. Veiksmingiausi baltymai pagreitino reakciją iki 10 000 kartų greičiau nei be fermento.
Nors tai yra įspūdingas žygdarbis, palyginti su ankstesniais fermentų projektavimo bandymais, susintetinti fermentai yra blyškūs, palyginti su natūraliais fermentais. Tai nėra labai gerai, sako Bakeris. Natūraliai atsirandantys fermentai gali padidinti reakcijų greitį daug, daug didesniais kiekiais – net kvadrilijoną kartų.
Viena iš mūsų tyrimų problemų yra išsiaiškinti, ko mūsų projektuose trūksta, ką išsiaiškino natūraliai atsirandantys fermentai, sako Bakeris. Tolesniuose tyrimuose jo grupė pasirinko du šios problemos metodus: patobulino kompiuterinius algoritmus ir paprašė gamtos įsitraukti ten, kur tyrėjai baigė. Naudodami savo minimaliai veikiančius fermentus kaip evoliucijos pradinį tašką, mokslininkai gali naudoti nukreiptą evoliuciją, kad sukurtų efektyvesnius katalizatorius.
Anksčiau nukreipta evoliucija buvo alternatyvus būdas sukurti pageidaujamus fermentus. Tačiau Bakeris mano, kad jis gali būti naudojamas kaip skaičiavimo metodų papildymas. Skaičiuojantis projektavimas suteikia mokslininkams galimybę nuo pat pradžių sukurti baltymus, leidžiančius jiems sukurti fermentus reakcijoms, kurios neturi natūralaus atitikmens. Tokiu būdu mes būtume laisvi nuo tironijos, kai gamtoje turime ką nors pradėti, sako Arnoldas, kurio darbas daug dėmesio skyrė nukreiptai evoliucijai.
Tačiau nukreipta evoliucija suteikia galimybę atlikti tuos struktūrinius pakeitimus, kurių skaičiavimo algoritmai dar nėra pakankamai sudėtingi. Iš tikrųjų tai yra ateities banga, sako Bakeris, nes šie nukreiptos evoliucijos eksperimentai gali užfiksuoti daug subtilesnių dalykų, nei galime užfiksuoti skaičiavimuose.
Baker's nėra pirmoji grupė, sprendžianti skaičiavimo fermentų projektavimą. Pavyzdžiui, Caltech biochemikas Steve'as gali , skaičiavimo baltymų projektavimo pradininkas, 2001 m. pranešė apie fermentų sukūrimą iš esamų neenzimų baltymų. Tačiau Baker požiūris skiriasi tuo, kad jame nenaudojami esami baltymai kaip išeities taškai – tai tikras de novo dizainas.
Arnoldas sako, kad Baker fermentai taip pat yra galingesni nei Mayo, tačiau sunku tiksliai nustatyti, kiek daugiau. Tai kitokio pobūdžio fermentas, todėl negalima lyginti obuolių ir apelsinų, sako ji. Bet tai gana geras obuolys.