Учени формулираха три универсални правила за проектиране на ефективни ензими от нулата, базирани на нова реакционна динамика.

Ензимите са ключовите катализатори в живите организми – молекули, които ускоряват химични реакции, необходими за живота. До момента разчитахме на милиони години еволюция, за да получим ефективни ензими. Сега обаче учени от Института „Макс Планк“ за динамика и самоорганизация (MPI-DS) са направили пробив, като формулират три универсални правила за създаване на функционални ензими de novo – тоест от нулата. Изследването е публикувано в Chem Catalysis.

Три златни правила за функционален ензим

Изследователите използват пример с ензимна реакция, при която димер се разпада на два мономера. Въз основа на геометрията на ензим-субстрат комплекса са извлечени три основни принципа:

  1. Правилен интерфейс: Контактът между ензима и субстрата трябва да се осъществява в най-малкия краен участък, за да се осигури стабилна връзка.

  2. Съответстваща промяна в структурата: Конформационната промяна в ензима трябва да бъде поне толкова голяма, колкото и в протичащата химична реакция.

  3. Динамична ефективност: Тази промяна трябва да се случва достатъчно бързо, за да максимизира химическата движеща сила на реакцията.

Нов модел с две реакционни координати

„Изградихме нашето изследване върху два основни стълба – запазване на импулса и свързване на реакционните координати“, обяснява директорът на института проф. Рамин Голестанян.

Традиционните модели разглеждат ензимната реакция като движение по енергийна координатна ос, която трябва да преодолее бариера. Но изследователите въвеждат допълнителна координата, отразяваща динамиката и геометрията на ензима. Така вместо реакцията да „прескача“ енергийна бариера, тя може да я заобиколи по алтернативни маршрути.

„Това фундаментално променя нашето разбиране за механизма на ензимната катализa“, казва първият автор Михалис Чацитофи. Така се създава нова основа за проектиране на молекулярни машини, като се избягва сложното симулиране на всеки атом поотделно.

От теория към практика: бъдещето на синтетичната биология

Откритията на екипа от MPI-DS имат потенциално широко приложение – от създаване на синтетични ензими за медицински цели до дизайн на молекулярни машини за индустриална биотехнология. Вместо да се разчита на проби и грешки, вече може да се използва систематичен подход, основан на ясно дефинирани физични принципи.

Източник: Phys.org