Novo fluxo de trabalho abre caminho para a química mais poderosa e ambientalmente benigna

Pesquisadores da UC Santa Barbara, UCSF e Universidade de Pittsburgh desenvolveram um novo fluxo de trabalho para projetar enzimas do zero, abrindo caminho para química mais eficiente, poderosa e ambientalmente benigna. O novo método permite que os designers combinem uma variedade de propriedades desejáveis ​​em catalisadores novos em natureza para uma variedade de aplicações, do desenvolvimento de medicamentos ao projeto de materiais.

Esta pesquisa é publicado no diário Ciênciae é o resultado de um esforço colaborativo entre o laboratório Degrado da UCSF, o Yang Lab da UCSB e o laboratório Liu da Universidade de Pittsburgh.

“Se as pessoas pudessem projetar enzimas muito eficientes do zero, você pode resolver muitos problemas importantes”, disse Yang Yang Yang, um autor sênior no jornal.

O design de novo de enzimas poderia, por exemplo, superar as limitações de função e estabilidade encontradas em catalisadores naturais sem perder sua seletividade e eficiência inerentes.

“Para pesquisa basicOs químicos e biólogos esperam há muito tempo ter a capacidade de projetar enzimas do zero “, acrescentou Yang.

Catalisadores de proteínas sob medida

Os catalisadores, biológicos e sintéticos, são os cavalos de trabalho da química. Eles são responsáveis ​​por permitir e acelerar as reações que alteram as estruturas das moléculas -alvo. As enzimas em explicit são “catalisadores privilegiados da natureza”, de acordo com Yang, devido ao nível de seletividade e eficiência que essas proteínas têm na catalisação das reações.

No entanto, as enzimas naturais tendem a funcionar em condições estreitas, favorecendo apenas certas moléculas em certos ambientes. Para trazer o poder da biocatálise a mais moléculas, os cientistas estão se voltando para proteína Design, uma abordagem de baixo para cima que usa blocos de construção de aminoácidos para criar proteínas com estruturas e funções específicas.

O tamanho relativamente pequeno das proteínas de novo fornece eficiência favorável em relação à maioria das enzimas; Sua excelente estabilidade térmica e orgânica de solvente pode permitir uma gama mais ampla de temperaturas e até 60% de solventes orgânicose torna -se possível usar uma variedade de cofatores, incluindo aqueles que não são encontrados na natureza, para otimizar ainda mais as proteínas para o resultado desejado.

“Então, aqui, trabalhando com o grupo de Invoice Degrado na UCSF e no grupo de Peng Liu em Pitt, temos um fluxo de trabalho para converter uma proteína de pacote helicoidal muito simples e em miniatura em enzimas muito eficientes e muito seletivas para catalisar reações sinteticamente úteis”, disse Yang sobre a prova de conceito dos pesquisadores.

O projeto implica usando o design de proteínas de novo para criar enzimas que podem formar ligações carbono-carbono ou carbono-silício, para as quais “há uma falta de enzimas naturais eficientes”, de acordo com Yang.

Usando a proteína helicoidal como estrutura, a equipe usou métodos de inteligência synthetic de ponta para projetar sequências de aminoácidos subjacentes às estruturas de proteínas com as funcionalidades e propriedades desejadas para transformar o pacote em um enzima.

“As variantes anteriores eram catalisadores razoáveis, mas não eram os melhores porque a eficiência e a seletividade foram modestas”, disse Yang sobre os resultados iniciais. Com base na cristalografia de raios-X da proteína resultante, eles encontraram um “loop desorganizado” na estrutura onde deveria ser uma hélice bem organizada. Desta vez, uma segunda rodada de design, usando um algoritmo de pesquisa em loop, resultou em quatro dos 10 projetos com alta atividade e excelente estereosselectividade.

“Em outras palavras, embora os métodos de design de proteínas baseados em IA sejam muito úteis, para ter catalisadores muito bons, ainda precisamos usar nosso algoritmo interno e nossa intuição química para fazer tudo da maneira certa”, disse Yang.

O sucesso deste projeto demonstra que o design de proteínas de novo pode ser uma ferramenta poderosa na catálise, que pode oferecer aos químicos reações mais eficientes e seletivas, bem como produtos que não são tão facilmente alcançados com enzimas naturais ou catalisadores sintéticos de moléculas pequenas.

“Se você realmente entende o Princípios de designentão você pode construir uma proteína catalisador Para usar os cofatores que você gostaria de usar e obter transformações desafiadoras na água, o solvente mais verde, como o meio de reação “, disse Yang.

Trabalhos adicionais no laboratório Yang, em colaboração com o degrado laboratório e o laboratório Liu, envolverão a exploração de maneiras de imitar a função enzimática pure com enzimas mais simples, menores, mas igualmente ativas de novo, e gerar enzimas de novo que operam por meio de mecanismos não conhecidos na natureza.

A pesquisa neste artigo foi conduzida por Kaipeng Hou, Wei Huang, Miao Qui, Thomas H. Tugwell, Turki Alturaifi, Yuda Chen, Xingjie Zhang, Lei Lu e Samuel I. Mann.