Teamingenieurs ontwerpen eiwitten die de enzymactiviteit regelen

Teamingenieurs ontwerpen eiwitten die de enzymactiviteit regelen

Anonim

door University of Chicago Medical Center

Wetenschappers van de Universiteit van Chicago hebben een nieuwe aanpak ontwikkeld om de activiteit van enzymen te beheersen door het gebruik van synthetische, antilichaamachtige eiwitten die bekend staan ​​als monobodies. Een team onder leiding van Shohei Koide, PhD, hoogleraar biochemie en moleculaire biofysica, was in staat om de specificiteit van een enzym, op grote schaal gebruikt in de voedingsindustrie, te veranderen zonder het enzym zelf te veranderen - een nieuwe route voor enzymtechnologie te vestigen en de veelzijdigheid aan te tonen van deze synthetische eiwitten. De bevindingen, online gepubliceerd in Nature Chemical Biology op 31 augustus 2015, hebben brede implicaties voor een breed scala van industriële, wetenschappelijke en medische toepassingen waarin enzymen worden gebruikt.

"Dit is de eerste keer dat synthetische hulpmoleculen zijn ontwikkeld om de specificiteit van een enzym te veranderen om een ​​gewenst eindproduct te bereiken, " zei Koide, die ook dient als wetenschappelijk directeur voor het Chicago Biomedical Consortium. "In dit artikel hebben we hun werkzaamheid op suikers aangetoond, maar men kan toepassingen van dit concept voorstellen met enzymen die werken op andere soorten moleculen zoals lipiden en peptiden - er zijn letterlijk honderden enzymen die momenteel in de industrie worden gebruikt en miljoenen die potentieel nuttig zijn ."

Enzymen zijn eiwitten die chemische reacties stimuleren en complexe biologische processen mogelijk maken. Ze werken door specifieke doelmoleculen, substraten genoemd, te herkennen en te binden. Sommige enzymen combineren substraten tot een nieuw molecuul, zoals die welke DNA-strengen synthetiseren uit nucleïnezuren. Anderen breken substraten op in meerdere producten, zoals producten die zetmeel afbreken tot suikers. Enzymen worden gebruikt in een breed scala van commerciële toepassingen, zoals de bereiding van voedingsmiddelen, voedingssupplementen, therapeutica en chemische materialen.

Een belangrijk doel in de biotechnologie is het wijzigen van enzymactiviteit om op maat gemaakte reacties uit te voeren. Huidige methoden gebruiken genetische manipulatie om enzymen fysiek te muteren. Dit is echter moeilijk te bereiken en vereist gedetailleerde kennis van de enzymstructuur en functionele dynamica, die duur, tijdrovend en inefficiënt kan zijn.

Koide en zijn collega's benaderden dit probleem door gebruik te maken van hun jarenlange expertise in het ontwerpen van monobodies - compacte eiwitten die functioneren als synthetische antilichamen. Net als antilichamen herkennen en binden monobodies specifieke doeleiwitten, die dienen als een marker of de functie beïnvloeden. In combinatie met hun kleine grootte (ongeveer 15 keer kleiner dan een antilichaam) en eenvoudige structuur, kunnen monobodies worden ontworpen om met uiterste precisie te binden aan gewenste posities binnen een doelmolecuul zoals een enzym.

De onderzoekers concentreerden zich op beta-galactosidase, een enzym dat veel wordt gebruikt in de voedingsindustrie. Een van de belangrijkste toepassingen is de productie van korte suikerketens die als nuttige prebiotica kunnen dienen. Dit enzym bouwt ketens van suikermoleculen door individuele suikereenheden toe te voegen aan bestaande ketens. De producten zijn echter van verschillende lengte, wat leidt tot lage hoeveelheden van de gewenste korte suikerketens.

Het team wilde een monobody ontwerpen dat ervoor zorgt dat het enzym alleen op kleine suikerketens inwerkt. Beginnend met een pool van ongeveer 10 miljard unieke monobodies, gebruikten ze gerichte evolutietechnieken om een ​​groep monobodies te identificeren die zich in de buurt van de actieve site van beta-galactosidase bonden. Na meerdere ronden van inspannende selectie-experimenten waren ze in staat om één monobody te construeren dat de beta-galactosidase-activiteit precies veranderde op de manier die ze wilden, ondanks het feit dat ze slechts beperkte kennis hadden van hoe het enzym de reactie uitvoert.

Het monobody blokkeert gedeeltelijk de actieve plaats van het enzym en voorkomt dat het grote suikers als substraat accepteert - waardoor het gedwongen wordt alleen korte suikerketens te produceren.

"We waren in staat om één monobody te ontwerpen dat voorkomt dat beta-galactosidase bepaalde suikers als uitgangsmateriaal gebruikt en alleen kleine oligosacchariden produceren, waardoor het een veel waardevollere katalysator is voor gebruik in de industrie, " zei Koide. "Onze medewerkers genereerden meer dan 1.000 mutanten van dit enzym in eerdere pogingen om hetzelfde doel te bereiken en geen van hen deed wat deze monobody bereikte. We zijn heel tevreden met het resultaat."

Monobodies zijn relatief voordelig om in grote hoeveelheden te produceren en worden al gebruikt als platform voor andere toepassingen door biotechnologiebedrijven. Het team onderzoekt nu andere enzymen die baat kunnen hebben bij monobody-technologie en werkt samen met een industriële partner om met monobody gemodificeerde bèta-galactosidase te ontwikkelen voor commercieel gebruik.

"Voorlopig is deze technologie het meest nuttig bij het beperken van het uitgangsmateriaal dat enzymen gebruiken van groter naar kleiner, " zei Koide. "Er zijn veel gevallen waarin je alleen kleinere producten wilt produceren, en veel meer interessante mogelijkheden die we graag willen verkennen."