Dekodierung des enzymatischen Abschlusses von Alginaten für die grüne Biotechnologie

Jedes Jahr werden Tausende von Tonnen braunen Algen aus dem Meeresboden extrahiert, um Verbindungen wie Alginate zu erhalten, ein Polymer aus Zuckern mit hoher Dichte und Festigkeit, die potenzielle biotechnologische Anwendungen anbieten. Ein internationales Team der Universität von Barcelona hat den Mechanismus entschlüsselt, durch den eine Art Enzym namens Alginat Lyase (AL) namens Alginat Lyase (AL) in der Lage ist, diese Meeresbiomaterialien zu verschlechtern, sodass sie unter anderem als Träger von Arzneimitteln, Zusatzstoffe oder Verdickungen verwendet werden können. Diese Ergebnisse, veröffentlicht in Naturkommunikationwird bei der Entwicklung und Gestaltung neuer „maßgeschneiderter Alginate“ für bestimmte Anwendungen, insbesondere in der Lebensmittel- und Biomedizin -Industrie, helfen.

Das UB-Team wird von José Pablo Rivas-Fernández, Erstautor des Artikels, und Carme Rovira, ICREA-Forschungsprofessor, sowohl aus der UB-Fakultät für Chemie als auch vom UB Institute of Theoretical and Computational Chemistry (IQTCub) (Dtukens, BIOTECHS, BIOTICISCHE CHEMISTRAGEN) gegründet. Experten der norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU) und der North Carolina State University (USA) haben ebenfalls teilgenommen.

Trotz der Häufigkeit von Alginaten in der Meeresumgebung ist ihre Möglichkeiten, insbesondere im biomedizinischen Sektor, durch die Inhomogenität ihrer Zusammensetzung im natürlichen Zustand stark eingeschränkt – sie können eine Mischung aus Mannuronsäure- und Guluronsäurezucker in unterschiedlichen Proportionen enthalten. Die Kenntnis des Wirkungsmechanismus von Al-Enzymen, wenn sie die Bindungen, die den Zucker vom Mannuronsäure-Typ in diesem Polymer verbinden, spezifisch brechen, hilft, diese Einschränkungen zu überwinden. „Die Ergebnisse legten die Grundlage für die Manipulation dieser Enzyme und das Entwerfen von Varianten mit besseren katalytischen Eigenschaften und höherer Effizienz in großem Maßstab.

Durch die Verwendung von industriellen Techniken und Bioprozessen wird es möglich sein, die Produktion von „maßgeschneiderten Alginaten“ in ausreichenden Mengen zu optimieren, um die Bedürfnisse der Gesellschaft zu decken „, erklären die Forscher.

Diese Erkenntnisse ermöglichen auch einen „besseren Einsatz natürlicher Ressourcen und steigern die grüne Wirtschaft, indem Enzyme als Schlüsselwerkzeuge bei der Herstellung dieser Alginate verwendet werden“, sagen die Autoren.

Computeranalyse mit dem Marenostrum 5 Supercomputer

Ein Teil der Studie basierte auf der Rechenanalyse des Aktionsmechanismus dieser Enzyme, wobei die dreidimensionalen Strukturen des Al-Enzyms in der Wechselwirkung mit verschiedenen Alginatvarianten, die von den DTU-Mitarbeitern erhalten wurden, verwendet wurden. Based on this structure and using the resources of the MareNostrum 5 supercomputer at the Barcelona Supercomputing Center — Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS), the UB team has carried out molecular dynamics simulations, using multiscale quantum mechanics and molecular mechanics techniques to model and obtain a detailed description at the atomic level of the chemical reaction that takes place during the degradation of Alginate.

Diese Simulationen haben frühere wissenschaftliche Diskrepanzen über die Anzahl der Stadien in Einklang gebracht, in denen die Reaktion auftritt, und bestätigt, dass sie in einer einzelnen Stufe auftritt und dass das Polymer in der Mitte bricht, nicht an einem Ende. Sie haben auch die Art des Übergangszustands – die höchste Energiekonfiguration während der Reaktion – als hoch negativ geladene Spezies geklärt. „Dieser Befund legt nahe, dass wir möglicherweise kontrollieren können, an welchem ​​Punkt das Polymer durch Mutationen bestimmter Aminosäuren im aktiven Zentrum des Enzyms zusammenbricht“, erklären die Forscher.

Ein weiteres wichtiges Element der Studie ist, dass die analysierten Enzyme zu Familie 7 von Lyasen gehören, dem bisher am häufigsten bekannten bekanntesten, was den Extrapolieren des Mechanismus ermöglicht, das anderen Enzymen mit hohem biotechnologischem Potenzial beschrieben hat.

Diese Ergebnisse erleichtern auch die Identifizierung wichtiger Reste oder Aminosäuren, die darauf abzielen, die Effizienz dieser Enzyme zu verbessern, eine vielversprechende Forschungslinie, über die das UB -Team bereits arbeitet.

Darüber hinaus verbessern die Ergebnisse das Verständnis der chemischen Evolution von Alginat während ihres Abbaus, ein grundlegendes Element für das Design von Sonden, die Alginat -Lyasen identifizieren und isolieren können, die noch nicht beschrieben wurden. In diesem Sinne arbeiten UB -Forscher derzeit an der Gestaltung von Sonden, die die effiziente Identifizierung neuer Enzyme in Kohlenhydraten ermöglichen.

Diese Studie ist Teil von Carbocentre, einem von einem Synergy -Zuschuss des Europäischen Forschungsrates (ERC) finanzierten Projekts. Diese Zuschüsse gehören zu den angesehensten in Europa und werden an Forschungsteams vergeben, die zusammenarbeiten, um wichtige wissenschaftliche Herausforderungen zu meistern.

Quellen: