Dekodiranje enzimatskog zatvaranja alginata za zelenu biotehnologiju

Dekodiranje enzimatskog zatvaranja alginata za zelenu biotehnologiju

Svake godine tisuće tona smeđih algi ekstrahiraju se iz morskog dna kako bi se dobili spojevi poput alginata, polimera šećera visoke gustoće i snage koji nude potencijalne biotehnološke primjene. Međunarodni tim sa Sveučilišta u Barceloni dešifrirao je mehanizam kojim vrsta enzima nazvana alginat liaza (AL) može razgraditi ove morske biomaterijale, dopuštajući im da se koriste kao nosači lijekova, aditivi ili zgušnjivači, između ostalog. Ovi rezultati, objavljeni uKomunikacija s prirodompomoći će u razvoju i dizajnu novih "alginata po mjeri" za specifične primjene, posebice u prehrambenoj i biomedicinskoj industriji.

Tim UB-a predvode José Pablo Rivas-Fernández, prvi autor članka, i Carme Rovira, profesorica istraživanja ICREA-e, s Fakulteta kemije UB i Instituta za teorijsku i računalnu kemiju UB (IQTCub) (Dtukens, BIOTECHS, BIOTIC CHEMISTRY). Sudjelovali su i stručnjaci s Norveškog sveučilišta znanosti i tehnologije (NTNU) i Državnog sveučilišta Sjeverne Karoline (SAD).

Unatoč obilju alginata u morskom okolišu, njihov potencijal, posebice u biomedicinskom sektoru, ozbiljno je ograničen nehomogenošću njihovog sastava u prirodnom stanju – mogu sadržavati mješavinu manuronskih i guluronskih šećera u različitim omjerima. Poznavanje mehanizma djelovanja Al enzima kada oni specifično razbijaju veze koje povezuju šećer tipa manuronske kiseline u ovom polimeru pomaže u prevladavanju ovih ograničenja. “Rezultati su postavili temelje za manipulaciju ovim enzimima i dizajniranje varijanti s boljim katalitičkim svojstvima i većom učinkovitošću u velikim razmjerima.

Korištenjem industrijskih tehnika i bioprocesa bit će moguće optimizirati proizvodnju „alginata po mjeri“ u dovoljnim količinama da zadovolje potrebe društva“, objašnjavaju istraživači.

Ova otkrića također omogućuju "bolje korištenje prirodnih resursa i povećanje zelene ekonomije korištenjem enzima kao ključnih alata u proizvodnji ovih alginata", kažu autori.

Računalna analiza superračunalom Marenostrum 5

Dio istraživanja temeljio se na računskoj analizi mehanizma djelovanja ovih enzima, koristeći trodimenzionalne strukture enzima Al u interakciji s različitim alginatnim varijantama koje su dobili suradnici DTU. Na temelju ove strukture i korištenjem resursa superračunala MareNostrum 5 u Barcelonskom centru za superračunalstvo — Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS), tim UB-a proveo je simulacije molekularne dinamike, koristeći kvantnu mehaniku na više razina i tehnike molekularne mehanike za modeliranje i dobivanje detaljnog opisa na atomskoj razini kemijske reakcije koja se odvija tijekom razgradnje alginata.

Ove su simulacije pomirile prethodne znanstvene razlike o broju faza u kojima se reakcija odvija, potvrđujući da se ona odvija u jednoj fazi i da se polimer lomi u sredini, a ne na jednom kraju. Također su razjasnili prirodu prijelaznog stanja – najvišu energetsku konfiguraciju tijekom reakcije – kao vrlo negativno nabijenu vrstu. "Ovo otkriće sugerira da bismo mogli kontrolirati u kojoj se točki polimer razgrađuje mutiranjem određenih aminokiselina u aktivnom mjestu enzima", objašnjavaju istraživači.

Drugi važan element studije je da analizirani enzimi pripadaju obitelji 7 liaza, najčešće poznatih do danas, što omogućuje ekstrapolaciju mehanizma koji je opisao druge enzime s visokim biotehnološkim potencijalom.

Ovi rezultati također olakšavaju identifikaciju važnih ostataka ili aminokiselina usmjerenih na poboljšanje učinkovitosti ovih enzima, što je obećavajuća linija istraživanja na kojoj UB tim već radi.

Osim toga, rezultati poboljšavaju razumijevanje kemijske evolucije alginata tijekom njegove razgradnje, temeljnog elementa za dizajn sondi koje mogu identificirati i izolirati alginatne liaze koje još nisu opisane. Imajući to na umu, UB istraživači trenutno rade na dizajnu sondi koje omogućuju učinkovitu identifikaciju novih enzima u ugljikohidratima.

Ova je studija dio Carbocentrea, projekta financiranog sredstvima Synergy granta Europskog istraživačkog vijeća (ERC). Ove potpore su među najprestižnijim u Europi i dodjeljuju se istraživačkim timovima koji zajedno rade na rješavanju važnih znanstvenih izazova.

Izvori: