Avkodning av den enzymatiska stängningen av alginater för grön bioteknik

Avkodning av den enzymatiska stängningen av alginater för grön bioteknik

Varje år utvinns tusentals ton brunalger från havsbotten för att erhålla föreningar som alginater, en polymer av sockerarter med hög densitet och styrka som erbjuder potentiella biotekniska tillämpningar. Ett internationellt team från universitetet i Barcelona har dechiffrerat mekanismen genom vilken en typ av enzym som kallas alginatlyas (AL) kan bryta ned dessa marina biomaterial, vilket gör att de kan användas som läkemedelsbärare, tillsatser eller förtjockningsmedel, bland annat. Dessa resultat, publicerade iNaturkommunikationkommer att hjälpa till att utveckla och designa nya "skräddarsydda alginater" för specifika tillämpningar, särskilt inom livsmedels- och biomedicinska industrier.

UB-teamet är grundat av José Pablo Rivas-Fernández, första författare till artikeln, och Carme Rovira, ICREA forskningsprofessor, från både UB fakulteten för kemi och UB Institute of Theoretical and Computational Chemistry (IQTCub) (Dtukens, BIOTECHS, BIOTIC CHEMISTRY). Experter från Norges tekniska universitet (NTNU) och North Carolina State University (USA) deltog också.

Trots överflöd av alginater i den marina miljön är deras potential, särskilt inom den biomedicinska sektorn, allvarligt begränsad av inhomogeniteten i deras sammansättning i naturligt tillstånd - de kan innehålla en blandning av mannuron- och guluron-socker i olika proportioner. Kunskap om verkningsmekanismen för Al-enzymer när de specifikt bryter bindningarna som förbinder sockret av mannuronsyratyp i denna polymer hjälper till att övervinna dessa begränsningar. – Resultaten lade grunden för att manipulera dessa enzymer och designa varianter med bättre katalytiska egenskaper och högre effektivitet i stor skala.

Genom att använda industriella tekniker och bioprocesser kommer det att vara möjligt att optimera produktionen av ”skräddarsydda alginater” i tillräckliga mängder för att möta samhällets behov, förklarar forskarna.

Dessa fynd möjliggör också "bättre användning av naturresurser och öka den gröna ekonomin genom att använda enzymer som nyckelverktyg i produktionen av dessa alginater", säger författarna.

Datoranalys med superdatorn Marenostrum 5

En del av studien baserades på beräkningsanalys av verkningsmekanismen för dessa enzymer, med användning av de tredimensionella strukturerna av Al-enzymet i interaktion med olika alginatvarianter som erhållits av DTU-medarbetarna. Baserat på denna struktur och med hjälp av resurserna från MareNostrum 5-superdatorn vid Barcelona Supercomputing Center — Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS), har UB-teamet genomfört molekylära dynamiksimuleringar, med hjälp av flerskala kvantmekanik och molekylär mekanik för att modellera och erhålla en detaljerad beskrivning av den kemiska reaktionsnivån som äger rum på den kemiska reaktionsnivån som äger rum i Algina.

Dessa simuleringar har förenat tidigare vetenskapliga diskrepanser om antalet steg i vilka reaktionen inträffar, vilket bekräftar att den sker i ett enda steg och att polymeren går sönder i mitten, inte i ena änden. De klargjorde också karaktären av övergångstillståndet - den högsta energikonfigurationen under reaktionen - som en mycket negativt laddad art. "Detta fynd tyder på att vi kanske kan kontrollera vid vilken tidpunkt polymeren bryts ned genom att mutera vissa aminosyror i enzymets aktiva plats", förklarar forskarna.

En annan viktig del av studien är att de analyserade enzymerna tillhör familj 7 av lyaser, den mest kända hittills, vilket möjliggör extrapolering av den mekanism som har beskrivit andra enzymer med hög bioteknologisk potential.

Dessa resultat underlättar också identifieringen av viktiga rester eller aminosyror som syftar till att förbättra effektiviteten hos dessa enzymer, en lovande forskningslinje som UB-teamet redan arbetar med.

Dessutom förbättrar resultaten förståelsen av den kemiska utvecklingen av alginat under dess nedbrytning, ett grundläggande element för utformningen av sonder som kan identifiera och isolera alginatlyaser som ännu inte har beskrivits. Med detta i åtanke arbetar UB-forskare för närvarande med utformningen av sonder som möjliggör effektiv identifiering av nya enzymer i kolhydrater.

Denna studie är en del av Carbocentre, ett projekt finansierat av ett Synergy-anslag från European Research Council (ERC). Dessa anslag är bland de mest prestigefyllda i Europa och delas ut till forskarlag som arbetar tillsammans för att lösa viktiga vetenskapliga utmaningar.

Källor: