Декодиране на ензимното затваряне на алгинати за зелена биотехнология

Декодиране на ензимното затваряне на алгинати за зелена биотехнология

Всяка година хиляди тонове кафяви водорасли се извличат от морското дъно, за да се получат съединения като алгинати, полимер от захари с висока плътност и сила, които предлагат потенциални биотехнологични приложения. Международен екип от университета в Барселона дешифрира механизма, чрез който вид ензим, наречен алгинатна лиаза (AL), е в състояние да разгради тези морски биоматериали, позволявайки им да бъдат използвани като носители на лекарства, добавки или сгъстители, наред с други неща. Тези резултати, публикувани вОбщуване с природатаще помогне за разработването и проектирането на нови „специализирани алгинати“ за специфични приложения, особено в хранително-вкусовата и биомедицинската промишленост.

Екипът на UB е основан от Хосе Пабло Ривас-Фернандес, първи автор на статията, и Карме Ровира, професор по научни изследвания на ICREA, както от Факултета по химия на UB, така и от Института по теоретична и изчислителна химия на UB (IQTCub) (Dtukens, BIOTECHS, BIOTIC CHEMISTRY). Участие взеха и експерти от Норвежкия университет за наука и технологии (NTNU) и Държавния университет на Северна Каролина (САЩ).

Въпреки изобилието от алгинати в морската среда, техният потенциал, особено в биомедицинския сектор, е силно ограничен от нехомогенността на състава им в естествено състояние - те могат да съдържат смес от мануронови и гулуронови захари в различни пропорции. Познаването на механизма на действие на Al ензимите, когато те специфично разрушават връзките, свързващи захарта от типа мануронова киселина в този полимер, помага да се преодолеят тези ограничения. „Резултатите поставиха основата за манипулиране на тези ензими и проектиране на варианти с по-добри каталитични свойства и по-висока ефективност в голям мащаб.

Чрез използването на промишлени техники и биопроцеси ще бъде възможно да се оптимизира производството на „специализирани алгинати“ в достатъчни количества, за да отговори на нуждите на обществото“, обясняват изследователите.

Тези констатации също позволяват „по-добро използване на природните ресурси и увеличаване на зелената икономика чрез използване на ензими като ключови инструменти в производството на тези алгинати“, казват авторите.

Компютърен анализ със суперкомпютъра Marenostrum 5

Част от изследването се основава на изчислителния анализ на механизма на действие на тези ензими, като се използват триизмерните структури на ензима Al във взаимодействие с различни алгинатни варианти, получени от сътрудниците на DTU. Въз основа на тази структура и използвайки ресурсите на суперкомпютъра MareNostrum 5 в суперкомпютърния център в Барселона — Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS), екипът на UB извърши симулации на молекулярна динамика, използвайки многомащабна квантова механика и техники на молекулярна механика за моделиране и получаване на подробно описание на атомно ниво на химическата реакция, която протича по време на разграждането на алгината.

Тези симулации съгласуваха предишни научни несъответствия относно броя на етапите, в които протича реакцията, потвърждавайки, че тя протича на един етап и че полимерът се разпада в средата, а не в единия край. Те също така изясниха природата на преходното състояние - най-високата енергийна конфигурация по време на реакцията - като силно отрицателно зареден вид. „Това откритие предполага, че може да сме в състояние да контролираме в кой момент полимерът се разпада чрез мутиране на определени аминокиселини в активното място на ензима“, обясняват изследователите.

Друг важен елемент от изследването е, че анализираните ензими принадлежат към семейството 7 на лиазите, най-известните досега, което позволява екстраполиране на механизма, който описва други ензими с висок биотехнологичен потенциал.

Тези резултати също така улесняват идентифицирането на важни остатъци или аминокиселини, насочени към подобряване на ефективността на тези ензими, обещаваща линия на изследване, върху която екипът на UB вече работи.

В допълнение, резултатите подобряват разбирането на химическата еволюция на алгината по време на неговото разграждане, основен елемент за проектирането на сонди, които могат да идентифицират и изолират алгинатни лиази, които все още не са описани. Имайки това предвид, изследователите от UB в момента работят върху дизайна на сонди, които позволяват ефективното идентифициране на нови ензими във въглехидратите.

Това проучване е част от Carbocentre, проект, финансиран от грант Synergy от Европейския съвет за научни изследвания (ERC). Тези грантове са сред най-престижните в Европа и се присъждат на изследователски екипи, които работят заедно за решаване на важни научни предизвикателства.

източници: