Dekódování enzymatického uzavření alginátů pro zelenou biotechnologii

Dekódování enzymatického uzavření alginátů pro zelenou biotechnologii

Každý rok se z mořského dna vytěží tisíce tun hnědých řas, aby se získaly sloučeniny, jako jsou algináty, polymer cukrů s vysokou hustotou a silou, které nabízejí potenciální biotechnologické aplikace. Mezinárodní tým z Barcelonské univerzity rozluštil mechanismus, kterým je druh enzymu zvaný alginát lyáza (AL) schopen degradovat tyto mořské biomateriály, což jim umožňuje mimo jiné použít jako nosiče léků, přísady nebo zahušťovadla. Tyto výsledky, zveřejněné vKomunikace přírodypomůže vyvinout a navrhnout nové „algináty šité na míru“ pro specifické aplikace, zejména v potravinářském a biomedicínském průmyslu.

Tým UB založili José Pablo Rivas-Fernández, první autor článku, a Carme Rovira, profesorka výzkumu ICREA, z Fakulty chemické UB a Ústavu teoretické a výpočetní chemie UB (IQTCub) (Dtukens, BIOTECHS, BIOTIC CHEMISTRY). Zúčastnili se také odborníci z Norské univerzity vědy a technologie (NTNU) a Státní univerzity v Severní Karolíně (USA).

I přes hojnost alginátů v mořském prostředí je jejich potenciál, zejména v biomedicínském sektoru, značně omezen nehomogenitou jejich složení v přírodním stavu – mohou obsahovat směs mannuronových a guluronových cukrů v různém poměru. Znalost mechanismu účinku Al enzymů, když specificky narušují vazby spojující cukr typu kyseliny mannuronové v tomto polymeru, pomáhá tato omezení překonat. „Výsledky položily základ pro manipulaci s těmito enzymy a navrhování variant s lepšími katalytickými vlastnostmi a vyšší účinností ve velkém měřítku.

Použitím průmyslových technik a bioprocesů bude možné optimalizovat výrobu „alginátů šitých na míru“ v dostatečném množství, aby vyhovovaly potřebám společnosti,“ vysvětlují vědci.

Tato zjištění také umožňují „lepší využití přírodních zdrojů a zvýšení zelené ekonomiky pomocí enzymů jako klíčových nástrojů při výrobě těchto alginátů,“ říkají autoři.

Počítačová analýza se superpočítačem Marenostrum 5

Část studie byla založena na výpočtové analýze mechanismu účinku těchto enzymů pomocí trojrozměrných struktur enzymu Al v interakci s různými variantami alginátu získaných spolupracovníky DTU. Na základě této struktury a s využitím zdrojů superpočítače MareNostrum 5 v Barcelonském superpočítačovém centru — Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS) tým UB provedl simulace molekulární dynamiky pomocí vícestupňových technik kvantové mechaniky a molekulární mechaniky k modelování a získání podrobného popisu na atomární úrovni chemické reakce, která probíhá během degradace Alginátu.

Tyto simulace vyrovnaly předchozí vědecké nesrovnalosti o počtu fází, ve kterých reakce probíhá, a potvrdily, že k ní dochází v jedné fázi a že se polymer láme uprostřed, nikoli na jednom konci. Objasnili také povahu přechodového stavu – nejvyšší energetické konfigurace během reakce – jako vysoce negativně nabitého druhu. "Toto zjištění naznačuje, že bychom mohli být schopni kontrolovat, v jakém bodě se polymer rozpadá mutací určitých aminokyselin v aktivním místě enzymu," vysvětlují vědci.

Dalším důležitým prvkem studie je, že analyzované enzymy patří do rodiny 7 lyáz, které jsou dosud nejčastěji známé, což umožňuje extrapolaci mechanismu, který popsal jiné enzymy s vysokým biotechnologickým potenciálem.

Tyto výsledky také usnadňují identifikaci důležitých zbytků nebo aminokyselin zaměřených na zlepšení účinnosti těchto enzymů, což je slibná linie výzkumu, na které tým UB již pracuje.

Kromě toho výsledky zlepšují porozumění chemickému vývoji alginátu během jeho degradace, což je základní prvek pro návrh sond, které mohou identifikovat a izolovat alginátové lyázy, které dosud nebyly popsány. S ohledem na to vědci UB v současné době pracují na návrhu sond, které umožňují účinnou identifikaci nových enzymů v sacharidech.

Tato studie je součástí projektu Carbocentre, financovaného grantem Synergy od Evropské výzkumné rady (ERC). Tyto granty patří k nejprestižnějším v Evropě a jsou udělovány výzkumným týmům, které spolupracují na řešení důležitých vědeckých výzev.

Zdroje: