Alginátok enzimatikus záródásának dekódolása a zöld biotechnológiához

Alginátok enzimatikus záródásának dekódolása a zöld biotechnológiához

Évente több ezer tonna barna algát vonnak ki a tengerfenékből, hogy olyan vegyületeket állítsanak elő, mint az alginátok, amelyek nagy sűrűségű és szilárdságú cukrok polimerjei, amelyek potenciális biotechnológiai alkalmazásokat kínálnak. A Barcelonai Egyetem nemzetközi csapata megfejtette azt a mechanizmust, amellyel az alginát-liáz (AL) nevű enzim képes lebontani ezeket a tengeri bioanyagokat, így többek között gyógyszerhordozóként, adalékanyagként vagy sűrítőanyagként is felhasználhatók. Ezeket az eredményeket ben tették közzéA természet kommunikációjasegít új „testreszabott alginátok” fejlesztésében és tervezésében speciális alkalmazásokhoz, különösen az élelmiszeriparban és az orvosbiológiai iparban.

Az UB csapatát José Pablo Rivas-Fernández, a cikk első szerzője és Carme Rovira, az ICREA kutatóprofesszora alapította az UB Kémiai Karáról és az UB Elméleti és Számítási Kémiai Intézetéről (IQTCub) (Dtukens, BIOTECHS, BIOTIC CHEMISTRY). A Norvég Tudományos és Technológiai Egyetem (NTNU) és az Észak-Karolinai Állami Egyetem (USA) szakértői is részt vettek.

Annak ellenére, hogy a tengeri környezetben rengeteg alginát található, potenciáljukat, különösen az orvosbiológiai szektorban, erősen korlátozza összetételük inhomogenitása természetes állapotban – eltérő arányban tartalmazhatnak mannuron- és guluroncukrok keverékét. Az Al-enzimek hatásmechanizmusának ismerete, amikor ezek a polimerben specifikusan megbontják a mannuronsav típusú cukrot összekötő kötéseket, segít leküzdeni ezeket a korlátokat. „Az eredmények megteremtették az alapot ezen enzimek manipulálásához, valamint jobb katalitikus tulajdonságokkal és nagyobb hatékonysággal rendelkező variánsok tervezéséhez nagy léptékben.

Ipari technikák és biofolyamatok alkalmazásával lehetővé válik a „testre szabott alginátok” előállításának optimalizálása a társadalom igényeinek megfelelő mennyiségben” – magyarázzák a kutatók.

Ezek az eredmények lehetővé teszik „a természeti erőforrások jobb felhasználását és a zöld gazdaság növelését azáltal, hogy az enzimeket kulcsfontosságú eszközként használják ezen alginátok előállításában” – mondják a szerzők.

Számítógépes elemzés a Marenostrum 5 szuperszámítógéppel

A vizsgálat egy része ezen enzimek hatásmechanizmusának számítógépes elemzésén alapult, az Al enzim háromdimenziós szerkezetének kölcsönhatásában a DTU munkatársai által nyert különböző alginát variánsokkal. Erre a struktúrára alapozva és a barcelonai szuperszámítási központ – Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS) MareNostrum 5 szuperszámítógépének erőforrásait felhasználva az UB csapata molekuláris dinamikai szimulációkat végzett, többléptékű kvantummechanika és molekuláris mechanikai technikák segítségével modellezve és részletes leírást kapva az Alginátus atomi degradációs szintjén lezajló kémiai reakció során.

Ezek a szimulációk összeegyeztették a korábbi tudományos eltéréseket a reakció szakaszainak számával kapcsolatban, megerősítve, hogy az egyetlen szakaszban megy végbe, és a polimer a közepén törik, nem pedig az egyik végén. Tisztázták az átmeneti állapot – a reakció során a legmagasabb energiakonfiguráció – természetét is, mint erősen negatív töltésű fajt. "Ez a megállapítás arra utal, hogy az enzim aktív helyén bizonyos aminosavak mutációjával ellenőrizni tudjuk, hogy a polimer mely pontján bomlik le" - magyarázzák a kutatók.

A tanulmány másik fontos eleme, hogy az elemzett enzimek a mai napig leggyakrabban ismert liázok 7. családjába tartoznak, lehetővé téve annak a mechanizmusnak az extrapolációját, amely más, nagy biotechnológiai potenciállal rendelkező enzimeket írt le.

Ezek az eredmények megkönnyítik azon fontos maradékok vagy aminosavak azonosítását is, amelyek célja ezen enzimek hatékonyságának javítása, ez az ígéretes kutatási irány, amelyen az UB csapata már dolgozik.

Ezenkívül az eredmények javítják az alginát kémiai evolúciójának megértését annak lebomlása során, amely alapvető eleme olyan szondák tervezésének, amelyek képesek azonosítani és izolálni a még nem leírt alginát liázokat. Ezt szem előtt tartva az UB kutatói jelenleg olyan szondák tervezésén dolgoznak, amelyek lehetővé teszik a szénhidrátokban lévő új enzimek hatékony azonosítását.

Ez a tanulmány a Carbocentre projekt része, amelyet az Európai Kutatási Tanács (ERC) Szinergia-támogatása finanszíroz. Ezek az európai támogatások a legrangosabb támogatások közé tartoznak, és olyan kutatócsoportoknak ítélik oda, amelyek együtt dolgoznak a fontos tudományos kihívások megoldásán.

Források: