Decodificarea închiderii enzimatice a alginaților pentru biotehnologia verde

Decodificarea închiderii enzimatice a alginaților pentru biotehnologia verde

În fiecare an, mii de tone de alge brune sunt extrase din fundul mării pentru a obține compuși precum alginații, un polimer de zaharuri cu densitate și rezistență ridicată care oferă potențiale aplicații biotehnologice. O echipă internațională de la Universitatea din Barcelona a descifrat mecanismul prin care un tip de enzimă numită alginat lază (AL) este capabil să degradeze aceste biomateriale marine, permițându-le să fie folosite ca purtători de medicamente, aditivi sau agenți de îngroșare, printre altele. Aceste rezultate, publicate înComunicarea naturiiva ajuta la dezvoltarea și proiectarea de noi „alginați personalizați” pentru aplicații specifice, în special în industria alimentară și biomedicală.

Echipa UB este fondată de José Pablo Rivas-Fernández, primul autor al articolului, și Carme Rovira, profesor de cercetare ICREA, atât de la Facultatea de Chimie UB, cât și de la Institutul de Chimie Teoretică și Computațională (IQTCub) UB (Dtukens, BIOTECHS, BIOTIC CHIMISTRY). Au participat și experți de la Universitatea Norvegiană de Știință și Tehnologie (NTNU) și Universitatea de Stat din Carolina de Nord (SUA).

În ciuda abundenței alginaților în mediul marin, potențialul lor, în special în sectorul biomedical, este sever limitat de neomogenitatea compoziției lor în stare naturală - pot conține un amestec de zaharuri manuronice și guluronice în proporții diferite. Cunoașterea mecanismului de acțiune al enzimelor Al atunci când acestea rup în mod specific legăturile care leagă zahărul de tip acid manuronic din acest polimer ajută la depășirea acestor limitări. „Rezultatele au pus bazele pentru manipularea acestor enzime și pentru proiectarea de variante cu proprietăți catalitice mai bune și eficiență mai mare la scară largă.

Prin utilizarea tehnicilor industriale și a bioproceselor, va fi posibilă optimizarea producției de „alginați pe măsură” în cantități suficiente pentru a satisface nevoile societății”, explică cercetătorii.

Aceste descoperiri permit, de asemenea, „o mai bună utilizare a resurselor naturale și creșterea economiei ecologice prin utilizarea enzimelor ca instrumente cheie în producerea acestor alginați”, spun autorii.

Analiză computerizată cu supercalculatorul Marenostrum 5

O parte a studiului sa bazat pe analiza computațională a mecanismului de acțiune al acestor enzime, folosind structurile tridimensionale ale enzimei Al în interacțiune cu diferite variante de alginat obținute de colaboratorii DTU. Pe baza acestei structuri și folosind resursele supercomputerului MareNostrum 5 de la Barcelona Supercomputing Center — Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS), echipa UB a efectuat simulări de dinamică moleculară, folosind tehnici de mecanică cuantică și mecanică moleculară multiscale pentru a modela și obține o descriere detaliată la nivel atomic a reacției chimice care are loc în timpul degradării alginatului.

Aceste simulări au reconciliat discrepanțele științifice anterioare cu privire la numărul de etape în care are loc reacția, confirmând că aceasta are loc într-o singură etapă și că polimerul se rupe la mijloc, nu la un capăt. Ei au clarificat, de asemenea, natura stării de tranziție – cea mai mare configurație de energie în timpul reacției – ca o specie extrem de încărcată negativ. „Această descoperire sugerează că putem fi capabili să controlăm în ce moment polimerul se descompune prin mutarea anumitor aminoacizi din locul activ al enzimei”, explică cercetătorii.

Un alt element important al studiului este că enzimele analizate aparțin familiei 7 de liazelor, cea mai cunoscută până în prezent, permițând extrapolarea mecanismului care a descris alte enzime cu potențial biotehnologic ridicat.

Aceste rezultate facilitează, de asemenea, identificarea reziduurilor sau aminoacizilor importanți care vizează îmbunătățirea eficienței acestor enzime, o linie de cercetare promițătoare la care echipa UB lucrează deja.

În plus, rezultatele îmbunătățesc înțelegerea evoluției chimice a alginatului în timpul degradării acestuia, un element fundamental pentru proiectarea sondelor care pot identifica și izola liazele de alginat care nu au fost încă descrise. Având în vedere acest lucru, cercetătorii de la UB lucrează în prezent la proiectarea de sonde care să permită identificarea eficientă a noilor enzime din carbohidrați.

Acest studiu face parte din Carbocentre, un proiect finanțat printr-un grant Synergy de la Consiliul European de Cercetare (ERC). Aceste granturi sunt printre cele mai prestigioase din Europa și sunt acordate echipelor de cercetare care lucrează împreună pentru a rezolva provocări științifice importante.

Surse: