Afkodning af den enzymatiske lukning af alginater til grøn bioteknologi

Afkodning af den enzymatiske lukning af alginater til grøn bioteknologi

Hvert år udvindes tusindvis af tons brunalger fra havbunden for at opnå forbindelser som alginater, en polymer af sukkerarter med høj densitet og styrke, der tilbyder potentielle bioteknologiske anvendelser. Et internationalt hold fra University of Barcelona har dechifreret den mekanisme, hvorved en type enzym kaldet alginatlyase (AL) er i stand til at nedbryde disse marine biomaterialer, hvilket gør det muligt at bruge dem som lægemiddelbærere, additiver eller fortykningsmidler, blandt andet. Disse resultater, offentliggjort iNaturkommunikationvil hjælpe med at udvikle og designe nye "skræddersyede alginater" til specifikke applikationer, især i fødevare- og biomedicinske industrier.

UB-teamet er grundlagt af José Pablo Rivas-Fernández, førsteforfatter til artiklen, og Carme Rovira, ICREA forskningsprofessor, fra både UB Fakultet for Kemi og UB Institut for Teoretisk og Beregningskemi (IQTCub) (Dtukens, BIOTECHS, BIOTIC CHEMISTRY). Eksperter fra Norwegian University of Science and Technology (NTNU) og North Carolina State University (USA) deltog også.

På trods af overfloden af ​​alginater i havmiljøet er deres potentiale, især i den biomedicinske sektor, stærkt begrænset af inhomogeniteten af ​​deres sammensætning i den naturlige tilstand - de kan indeholde en blanding af mannuron- og guluronsukker i forskellige proportioner. Kendskab til virkningsmekanismen for Al-enzymer, når de specifikt bryder bindingerne, der forbinder sukkeret af mannuronsyre-typen i denne polymer, hjælper med at overvinde disse begrænsninger. "Resultaterne lagde grundlaget for at manipulere disse enzymer og designe varianter med bedre katalytiske egenskaber og højere effektivitet i stor skala.

Ved at bruge industrielle teknikker og bioprocesser vil det være muligt at optimere produktionen af ​​"skræddersyede alginater" i tilstrækkelige mængder til at imødekomme samfundets behov," forklarer forskerne.

Disse resultater muliggør også "bedre brug af naturressourcer og øge den grønne økonomi ved at bruge enzymer som nøgleredskaber i produktionen af ​​disse alginater," siger forfatterne.

Computeranalyse med Marenostrum 5 supercomputeren

En del af undersøgelsen var baseret på den beregningsmæssige analyse af disse enzymers virkningsmekanisme ved at bruge de tredimensionelle strukturer af Al-enzymet i samspil med forskellige alginatvarianter opnået af DTU-samarbejdspartnerne. Baseret på denne struktur og ved hjælp af ressourcerne fra MareNostrum 5-supercomputeren ved Barcelona Supercomputing Center — Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS), har UB-teamet udført molekylær dynamiksimuleringer, ved hjælp af multiskala kvantemekanik og molekylærmekanikteknikker til at modellere og opnå en detaljeret beskrivelse af det kemiske reaktionsniveau, der finder sted på det kemiske reaktionsniveau, der finder sted i Algina.

Disse simuleringer har afstemt tidligere videnskabelige uoverensstemmelser om antallet af stadier, hvori reaktionen opstår, hvilket bekræfter, at den sker i et enkelt trin, og at polymeren går i stykker i midten, ikke i den ene ende. De præciserede også arten af ​​overgangstilstanden - den højeste energikonfiguration under reaktionen - som en meget negativt ladet art. "Dette fund tyder på, at vi muligvis er i stand til at kontrollere, på hvilket tidspunkt polymeren nedbrydes ved at mutere visse aminosyrer i enzymets aktive sted," forklarer forskerne.

Et andet vigtigt element i undersøgelsen er, at de analyserede enzymer tilhører familie 7 af lyaser, den mest kendte til dato, hvilket muliggør ekstrapolering af den mekanisme, der har beskrevet andre enzymer med højt bioteknologisk potentiale.

Disse resultater letter også identifikation af vigtige rester eller aminosyrer med det formål at forbedre effektiviteten af ​​disse enzymer, en lovende forskningslinje, som UB-teamet allerede arbejder på.

Derudover forbedrer resultaterne forståelsen af ​​den kemiske udvikling af alginat under dets nedbrydning, et grundlæggende element for design af prober, der kan identificere og isolere alginatlyaser, der endnu ikke er blevet beskrevet. Med dette i tankerne arbejder UB-forskere i øjeblikket på design af prober, der muliggør effektiv identifikation af nye enzymer i kulhydrater.

Denne undersøgelse er en del af Carbocentre, et projekt finansieret af en Synergy-bevilling fra European Research Council (ERC). Disse bevillinger er blandt de mest prestigefyldte i Europa og tildeles forskerhold, der arbejder sammen om at løse vigtige videnskabelige udfordringer.

Kilder: