Dekodowanie enzymatycznego zamknięcia alginianów dla zielonej biotechnologii

Dekodowanie enzymatycznego zamknięcia alginianów dla zielonej biotechnologii

Każdego roku z dna morskiego wydobywa się tysiące ton brunatnic w celu uzyskania związków takich jak alginiany, polimer cukrów o dużej gęstości i wytrzymałości, który oferuje potencjalne zastosowania biotechnologiczne. Międzynarodowy zespół z Uniwersytetu w Barcelonie rozszyfrował mechanizm, dzięki któremu rodzaj enzymu zwanego liazą alginianową (AL) jest w stanie rozkładać te morskie biomateriały, umożliwiając ich wykorzystanie między innymi jako nośników leków, dodatków lub zagęszczaczy. Wyniki te, opublikowane wKomunikacja przyrodniczapomoże w opracowaniu i zaprojektowaniu nowych „alginianów szytych na miarę” do konkretnych zastosowań, szczególnie w przemyśle spożywczym i biomedycznym.

Zespół UB został założony przez José Pablo Rivas-Fernándeza, pierwszego autora artykułu, oraz Carme Rovirę, profesora badawczego ICREA, zarówno z Wydziału Chemii UB, jak i Instytutu Chemii Teoretycznej i Obliczeniowej UB (IQTCub) (Dtukens, BIOTECHS, BIOTIC CHEMISTRY). W badaniu wzięli także udział eksperci z Norweskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii (NTNU) oraz Uniwersytetu Stanowego Karoliny Północnej (USA).

Pomimo dużej obfitości alginianów w środowisku morskim, ich potencjał, zwłaszcza w sektorze biomedycznym, jest poważnie ograniczony przez niejednorodność ich składu w stanie naturalnym – mogą zawierać mieszaninę cukrów mannuronowego i guluronowego w różnych proporcjach. Znajomość mechanizmu działania enzymów Al, gdy specyficznie rozrywają one wiązania łączące cukier typu kwasu mannuronowego w tym polimerze, pozwala pokonać te ograniczenia. „Wyniki położyły podwaliny pod manipulowanie tymi enzymami i projektowanie wariantów o lepszych właściwościach katalitycznych i wyższej wydajności na dużą skalę.

Dzięki zastosowaniu technik przemysłowych i bioprocesów możliwa będzie optymalizacja produkcji „alginianów szytych na miarę” w ilościach wystarczających do zaspokojenia potrzeb społeczeństwa” – wyjaśniają naukowcy.

Odkrycia te umożliwiają również „lepsze wykorzystanie zasobów naturalnych i zwiększenie zielonej gospodarki poprzez wykorzystanie enzymów jako kluczowych narzędzi w produkcji alginianów” – twierdzą autorzy.

Analiza komputerowa za pomocą superkomputera Marenostrum 5

Część badań opierała się na analizie obliczeniowej mechanizmu działania tych enzymów, wykorzystując trójwymiarowe struktury enzymu Al w interakcji z różnymi wariantami alginianów uzyskanymi przez współpracowników DTU. W oparciu o tę strukturę i korzystając z zasobów superkomputera MareNostrum 5 w Centrum Superkomputerowym w Barcelonie — Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS), zespół UB przeprowadził symulacje dynamiki molekularnej, wykorzystując wieloskalowe techniki mechaniki kwantowej i mechaniki molekularnej do modelowania i uzyskania szczegółowego opisu na poziomie atomowym reakcji chemicznej zachodzącej podczas degradacji alginianu.

Symulacje te pozwoliły pogodzić wcześniejsze rozbieżności naukowe dotyczące liczby etapów, w których zachodzi reakcja, potwierdzając, że zachodzi ona w jednym etapie i że polimer pęka w środku, a nie na jednym końcu. Wyjaśnili także naturę stanu przejściowego – konfiguracji o najwyższej energii podczas reakcji – jako substancji o wysokim ładunku ujemnym. „To odkrycie sugeruje, że możemy kontrolować moment rozpadu polimeru, mutując określone aminokwasy w miejscu aktywnym enzymu” – wyjaśniają naukowcy.

Kolejnym istotnym elementem badań jest fakt, że analizowane enzymy należą do rodziny 7 liaz, najbardziej znanej dotychczas, co pozwala na ekstrapolację mechanizmu, który opisał inne enzymy o wysokim potencjale biotechnologicznym.

Wyniki te ułatwiają także identyfikację ważnych reszt lub aminokwasów mających na celu poprawę wydajności tych enzymów, co jest obiecującym kierunkiem badań, nad którym już pracuje zespół UB.

Ponadto wyniki pozwalają lepiej zrozumieć ewolucję chemiczną alginianu podczas jego degradacji, co stanowi podstawowy element projektowania sond umożliwiających identyfikację i izolację nieopisanych jeszcze liaz alginianowych. Mając to na uwadze, badacze z UB pracują obecnie nad zaprojektowaniem sond, które umożliwią skuteczną identyfikację nowych enzymów w węglowodanach.

Badanie to stanowi część projektu Carbocentre finansowanego z grantu Synergy Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERC). Granty te należą do najbardziej prestiżowych w Europie i przyznawane są zespołom badawczym współpracującym przy rozwiązywaniu ważnych wyzwań naukowych.

Źródła: