Αποκωδικοποίηση του ενζυματικού κλεισίματος των αλγινικών για την πράσινη βιοτεχνολογία

Αποκωδικοποίηση του ενζυματικού κλεισίματος των αλγινικών για την πράσινη βιοτεχνολογία

Κάθε χρόνο, χιλιάδες τόνοι καφέ άλγης εξάγονται από τον βυθό της θάλασσας για να ληφθούν ενώσεις όπως τα αλγινικά, ένα πολυμερές σακχάρων με υψηλή πυκνότητα και αντοχή που προσφέρουν πιθανές βιοτεχνολογικές εφαρμογές. Μια διεθνής ομάδα από το Πανεπιστήμιο της Βαρκελώνης έχει αποκρυπτογραφήσει τον μηχανισμό με τον οποίο ένας τύπος ενζύμου που ονομάζεται αλγινική λυάση (AL) μπορεί να αποικοδομεί αυτά τα θαλάσσια βιοϋλικά, επιτρέποντάς τους να χρησιμοποιηθούν ως φορείς φαρμάκων, πρόσθετα ή πυκνωτικά, μεταξύ άλλων. Αυτά τα αποτελέσματα, που δημοσιεύτηκαν στοΕπικοινωνία με τη φύσηθα βοηθήσει στην ανάπτυξη και στο σχεδιασμό νέων «κατά παραγγελία αλγινικών αλάτων» για συγκεκριμένες εφαρμογές, ιδιαίτερα στις βιομηχανίες τροφίμων και βιοϊατρικής.

Η ομάδα του UB ιδρύθηκε από τον José Pablo Rivas-Fernández, πρώτο συγγραφέα του άρθρου, και την Carme Rovira, Ερευνητική Καθηγήτρια ICREA, τόσο από τη Χημική Σχολή του UB όσο και από το Ινστιτούτο Θεωρητικής και Υπολογιστικής Χημείας του UB (IQTCub) (Dtukens, BIOTECHSHEMISTICYSTIC). Συμμετείχαν επίσης ειδικοί από το Νορβηγικό Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας (NTNU) και το Κρατικό Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας (ΗΠΑ).

Παρά την αφθονία των αλγινικών αλάτων στο θαλάσσιο περιβάλλον, οι δυνατότητές τους, ειδικά στον βιοϊατρικό τομέα, περιορίζονται σοβαρά από την ανομοιογένεια της σύνθεσής τους στη φυσική κατάσταση - μπορούν να περιέχουν μείγμα σακχάρων μανουρονικού και γουλουρονικού σε διαφορετικές αναλογίες. Η γνώση του μηχανισμού δράσης των ενζύμων Al όταν σπάνε ειδικά τους δεσμούς που συνδέουν το σάκχαρο τύπου μανουρονικού οξέος σε αυτό το πολυμερές βοηθά στην υπέρβαση αυτών των περιορισμών. «Τα αποτελέσματα έθεσαν τα θεμέλια για τον χειρισμό αυτών των ενζύμων και το σχεδιασμό παραλλαγών με καλύτερες καταλυτικές ιδιότητες και υψηλότερη απόδοση σε μεγάλη κλίμακα.

Με τη χρήση βιομηχανικών τεχνικών και βιοδιεργασιών, θα είναι δυνατό να βελτιστοποιηθεί η παραγωγή «κατάλληλων αλγινικών αλάτων» σε επαρκείς ποσότητες για να καλύψουν τις ανάγκες της κοινωνίας», εξηγούν οι ερευνητές.

Αυτά τα ευρήματα επιτρέπουν επίσης «καλύτερη χρήση των φυσικών πόρων και αυξάνουν την πράσινη οικονομία χρησιμοποιώντας ένζυμα ως βασικά εργαλεία για την παραγωγή αυτών των αλγινικών αλάτων», λένε οι συγγραφείς.

Ανάλυση υπολογιστή με τον υπερυπολογιστή Marenostrum 5

Μέρος της μελέτης βασίστηκε στην υπολογιστική ανάλυση του μηχανισμού δράσης αυτών των ενζύμων, χρησιμοποιώντας τις τρισδιάστατες δομές του ενζύμου Al σε αλληλεπίδραση με διαφορετικές παραλλαγές αλγινικού που ελήφθησαν από τους συνεργάτες της DTU. Με βάση αυτή τη δομή και χρησιμοποιώντας τους πόρους του υπερυπολογιστή MareNostrum 5 στο Κέντρο Υπερυπολογιστών της Βαρκελώνης — Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS), η ομάδα του UB πραγματοποίησε προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής, χρησιμοποιώντας κβαντομηχανική πολλαπλών κλιμάκων και τεχνικές μοριακής μηχανικής για να μοντελοποιήσει και να λάβει μια λεπτομερή περιγραφή της χημικής διαβάθμισης σε επίπεδο ατομικής αντίδρασης.

Αυτές οι προσομοιώσεις έχουν συμβιβάσει προηγούμενες επιστημονικές αποκλίσεις σχετικά με τον αριθμό των σταδίων στα οποία συμβαίνει η αντίδραση, επιβεβαιώνοντας ότι συμβαίνει σε ένα μόνο στάδιο και ότι το πολυμερές σπάει στη μέση και όχι στο ένα άκρο. Επίσης, διευκρίνισαν τη φύση της μεταβατικής κατάστασης - της υψηλότερης ενεργειακής διαμόρφωσης κατά τη διάρκεια της αντίδρασης - ως ένα εξαιρετικά αρνητικά φορτισμένο είδος. «Αυτό το εύρημα υποδηλώνει ότι μπορεί να είμαστε σε θέση να ελέγξουμε σε ποιο σημείο διασπάται το πολυμερές με μετάλλαξη ορισμένων αμινοξέων στην ενεργό θέση του ενζύμου», εξηγούν οι ερευνητές.

Ένα άλλο σημαντικό στοιχείο της μελέτης είναι ότι τα ένζυμα που αναλύθηκαν ανήκουν στην οικογένεια 7 των λυασών, τις πιο γνωστές μέχρι σήμερα, επιτρέποντας την παρέκταση του μηχανισμού που έχει περιγράψει άλλα ένζυμα με υψηλό βιοτεχνολογικό δυναμικό.

Αυτά τα αποτελέσματα διευκολύνουν επίσης τον εντοπισμό σημαντικών υπολειμμάτων ή αμινοξέων που στοχεύουν στη βελτίωση της αποτελεσματικότητας αυτών των ενζύμων, μια πολλά υποσχόμενη γραμμή έρευνας στην οποία εργάζεται ήδη η ομάδα της UB.

Επιπλέον, τα αποτελέσματα βελτιώνουν την κατανόηση της χημικής εξέλιξης του αλγινικού κατά την αποικοδόμησή του, ένα θεμελιώδες στοιχείο για το σχεδιασμό ανιχνευτών που μπορούν να αναγνωρίσουν και να απομονώσουν αλγινικές λυάσες που δεν έχουν ακόμη περιγραφεί. Έχοντας αυτό υπόψη, οι ερευνητές του UB εργάζονται επί του παρόντος στο σχεδιασμό ανιχνευτών που επιτρέπουν την αποτελεσματική αναγνώριση νέων ενζύμων στους υδατάνθρακες.

Αυτή η μελέτη αποτελεί μέρος του Carbocentre, ενός έργου που χρηματοδοτείται από επιχορήγηση Synergy από το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας (ERC). Αυτές οι επιχορηγήσεις είναι από τις πιο γνωστές στην Ευρώπη και απονέμονται σε ερευνητικές ομάδες που συνεργάζονται για την επίλυση σημαντικών επιστημονικών προκλήσεων.

Πηγές: