Cercetătorii reconstruiesc evoluția enzimelor vegetale care disting moleculele-oglindă
Multe molecule naturale, precum mentolul sau limonenul, există în două forme care sunt imaginea în oglindă una a celeilalte, numite enantiomeri. Deși par aproape identice, acestea pot diferi semnificativ prin miros, gust sau efect asupra organismului. Enzimele reușesc adesea să le distingă cu o precizie remarcabilă, ceea ce le face valoroase pentru industria chimică și farmaceutică. Modul în care această precizie a apărut în natură a rămas însă, în mare parte, necunoscut.
O echipă condusă de cercetători de la Universitatea Liberă din Berlin, Universitatea de Tehnologie din Graz și Institutul de Tehnologie din Georgia a reconstruit acum una dintre aceste căi evolutive. Studiul, intitulat „Deciphering the Evolutionary Origin of the Enantioselectivity of Short-Chain Dehydrogenases from Plants Toward 1-Borneol”, a fost publicat în Nature Communications.
Enzimele sunt catalizatori biologici — de obicei proteine — care accelerează reacțiile chimice. Structura lor determină ce molecule se leagă de ele și viteza reacțiilor biochimice, ceea ce le face deosebit de utile în biotehnologie.
Echipa internațională, condusă de dr. Bernhard Loll de la Departamentul de Biologie, Chimie, Farmacie al Universității Libere din Berlin, profesorul Robert Kourist de la Universitatea de Tehnologie din Graz și profesoara Lynn Kamerlin de la Institutul de Tehnologie din Georgia, a studiat un grup de enzime vegetale numite borneol dehidrogenaze. Acestea transformă alcoolul borneol în camfor. Borneolul există în două forme-oglindă, comparabile cu o mână stângă și o mână dreaptă. Unele enzime preferă puternic una dintre forme, în timp ce altele abia disting borneolul de isoborneol.
„Am reușit să demonstrăm cum s-au dezvoltat diferitele reacții la cele două forme de borneol de-a lungul evoluției enzimelor. Ceea ce a fost crucial nu au fost modificările structurale majore ale enzimei, ci interacțiunea multor mici schimbări care au influențat dinamica enzimei și a moleculei legate. Acest lucru ne oferă indicii importante despre cum enzimele ar putea fi proiectate specific pentru aplicații biotehnologice în viitor”, explică Loll.
Pentru a afla cum a apărut această diferență, cercetătorii au folosit reconstrucția secvențelor ancestrale. Au dedus computațional secvențele unor enzime străvechi din arborele genealogic al borneol dehidrogenazelor, pe baza a 97 de secvențe vegetale, le-au reprodus în laborator și le-au comparat. Cel mai vechi strămoș neselectiv, N30, a fost comparat cu un strămoș mai tânăr, N32, care este puternic selectiv. Între ei au existat 19 mutații la aminoacizi individuali — elementele de construcție ale proteinelor — dintre care doar una era situată în centrul activ al enzimei, unde are loc reacția chimică.
Introducerea acestei mutații în strămoșul neselectiv i-a dublat selectivitatea pentru cele două forme de borneol, iar inversarea ei în strămoșul selectiv a făcut ca enzima să-și piardă preferința. Totuși, această singură schimbare nu a fost suficientă pentru a explica selectivitatea. Doar în combinație cu trei mutații suplimentare, aflate departe de centrul activ, strămoșul N30 a devenit puternic selectiv pentru una dintre cele două forme de borneol. Astfel, cercetătorii au demonstrat că până și zonele periferice ale unei enzime pot influența reacția chimică din centrul catalitic.
Dinamica deține cheia selectivității
Enzimele reconstruite nu au prezentat inițial diferențe structurale evidente care să explice selectivitatea. Totuși, simulările computaționale au arătat că cele două forme de borneol se comportă diferit în complexul enzimă-substrat. Forma care reacționa mai bine cu enzima rămânea mai mult timp într-o poziție catalitic productivă, în timp ce cealaltă formă era ținută mai slab și mai expusă la apa în care era dizolvată.
Rezultatele demonstrează cum s-au dezvoltat diferitele reacții la cele două forme de borneol de-a lungul evoluției enzimei. Folosind exemplul unei enzime care nu distingea prea mult între cele două forme, s-a putut arăta că modificările din multiple regiuni ale proteinei au dus la preferința puternică pentru una dintre forme.
Relevanță pentru biotehnologie
Borneolul și forma sa-oglindă, isoborneolul, pot fi obținute ca amestec din α-pinen, o materie primă ieftină de origine biologică. Enzimele care manifestă o selectivitate mai mare pentru una dintre cele două forme ar putea ajuta la producerea formelor individuale de molecule pentru utilizare în produse farmaceutice, cosmetice și de parfumerie sau la separarea lor din amestecuri.
Concluziile sugerează că ingineria enzimelor ar trebui să privească dincolo de centrul activ, deoarece modificările din regiunile periferice pot regla fin selectivitatea și pot fi ratate de strategiile convenționale de proiectare.
