"Если бы люди могли создавать очень эффективные ферменты с нуля, вы могли бы решить много важных проблем", - сказал профессор химии Калифорнийского университета Ян Янг, старший автор статьи. Разработка ферментов De novo могла бы, например, преодолеть ограничения в функционировании и стабильности, присущие природным катализаторам, без потери присущих им селективности и эффективности.

"Для фундаментальных исследований химики и биологи давно надеялись получить возможность создавать ферменты с нуля".

Индивидуальные белковые катализаторы

Катализаторы, как биологические, так и синтетические, являются рабочими лошадками химии. Они отвечают за включение и ускорение реакций, которые изменяют структуру молекул-мишеней. По словам Янга, ферменты, в частности, являются "привилегированными катализаторами природы" из-за уровня селективности и эффективности, которыми обладают эти белки в катализирующих реакциях.

Однако природные ферменты, как правило, функционируют в узких условиях, благоприятствуя только определенным молекулам в определенных средах. Чтобы использовать возможности биокатализа для большего числа молекул, ученые обращаются к разработке белков de novo - подходу "снизу вверх", который использует аминокислотные строительные блоки для создания белков со специфическими структурами и функциями. Относительно небольшой размер белков de novo обеспечивает благоприятную эффективность по сравнению с большинством ферментов; их превосходная термическая стабильность и стабильность к органическим растворителям позволяют использовать более широкий диапазон температур и до 60% органических растворителей, и становится возможным использовать различные кофакторы, в том числе те, которые не встречаются в природе, для дальнейшая оптимизация белков для достижения желаемого результата.

"Итак, здесь, работая с группой Билла Деградо в Калифорнийском университете и группой Пенга Лю в Питте, мы разработали рабочий процесс для преобразования очень простого и миниатюрного спирального белка в очень эффективные и очень селективные ферменты для катализа синтетически полезных реакций", - сказал Янг о доказательстве концепции исследователей. По словам Янга, проект предусматривал использование белковой конструкции de novo для создания ферментов, которые могут образовывать углерод-углеродные или углерод-кремниевые связи, для которых "не хватает эффективных природных ферментов".

Используя белок спирального пучка в качестве основы, они затем использовали самые современные методы искусственного интеллекта для создания последовательностей аминокислот, которые лежат в основе белковых структур с желаемыми функциональными возможностями и свойствами, чтобы превратить пучок в фермент.

"Более ранние варианты были приемлемыми катализаторами, но они не были лучшими, потому что эффективность и селективность были скромными", - сказал Янг о первоначальных результатах. Основываясь на рентгеновской кристаллографии полученного белка, они обнаружили "дезорганизованную петлю" в структуре там, где предполагалось, что это хорошо организованная спираль. Второй этап проектирования, на этот раз с использованием алгоритма циклического поиска, привел к созданию четырех из 10 дизайнов с высокой активностью и отличной стереоселективностью.

"Другими словами, хотя методы конструирования белков на основе искусственного интеллекта очень полезны, чтобы иметь очень хорошие катализаторы, мы все равно должны использовать наш собственный алгоритм и нашу химическую интуицию, чтобы все было сделано правильно", - сказал Янг.

Успех этого проекта демонстрирует, что разработка белка de novo может стать мощным инструментом в катализе, который может дать химикам более эффективные и селективные реакции, а также продукты, которые не так легко получить с помощью природных ферментов или низкомолекулярных синтетических катализаторов.

"Если вы действительно понимаете принципы проектирования, то вы можете создать белковый катализатор для использования любых кофакторов, которые вы хотели бы использовать, и для достижения сложных превращений в воде, самом экологичном растворителе, в качестве реакционной среды", - сказал Янг.

Дальнейшая работа в лаборатории Янга, в сотрудничестве как с лабораторией DeGrado, так и с лабораторией Liu, будет включать изучение способов имитации функции естественных ферментов с помощью более простых, меньших по размеру, но одинаково активных ферментов de novo и получения ферментов de novo, которые действуют с помощью механизмов, ранее неизвестных в природе.

Исследование, описанное в этой статье, было проведено Кайпенг Хоу, Вэй Хуангом, Мяо Куи, Томасом Х. Тагвеллом, Турки Алтураифи, Юдой Ченом, Синцзе Чжаном, Лэй Лу и Сэмюэлем И. Манном.