Förhistoriska enzymer kan ge grönare kemi
Genom att återskapa flera miljarder år gamla enzymer, och programmera om dem, har forskare i Uppsala hittat sätt att skynda på helt andra kemiska reaktioner än vad deras moderna enzymer klarar av. Metoden kan användas för att utveckla hållbara lösningar inom biotekniken eller för kemisk nedbrytning av miljögifter.
– Vi använder en mjukvara för att simulera miljarder år av evolution och vi lyckades faktiskt ta fram ett effektivt enzym som kan katalysera en helt ny reaktion. Det är otroligt spännande, säger Lynn Kamerlin som leder forskargruppen vid Uppsala universitet.
Enzymer har förmågan att katalysera, det vill säga snabba på, avancerade kemiska reaktioner från miljoner år till en bråkdels sekund utan att förbrukas. De är dessutom biologiskt nedbrytbara och har ett minimalt koldioxidavtryck. De flesta enzymer är katalysatorer för en specifik kemisk reaktion och fyller därför en viktig funktion i biologiska processer, till exempel i våra kroppar.
Inom biotekniken arbetar man intensivt för att ta fram nya enzymer som kan snabba på ovanliga reaktioner för grön kemi, hållbar produktion och kemisk nedbrytning av miljöfarliga ämnen.
Tål extrema temperaturer
Forskargruppen vid Uppsala universitet har tillsammans med kollegor vid Universidad de Granada i Spanien rekonstruerat enzymer som efterliknar sina flera miljarder år gamla förlagor. Det visade sig att de primitiva enzymerna har många egenskaper som är önskvärda inom biotekniken; de tål extrema temperaturer och de är strukturellt med flexibla vilket gör dem lättare att modifiera än deras moderna motsvarigheter.
Forskarna lyckades programmera om ett uråldrigt enzym till att påskynda en helt ny reaktion, men trots att det nya enzymet snabbade på reaktionen avsevärt, var det betydligt långsammare än de flesta naturligt förekommande enzymer.
Räknade ut strukturer för snabbare reaktion
För att förbättra aktiviteten använde forskarna kraftfulla datorer för att räkna ut vilka förändringar i strukturen som skulle ge en snabbare reaktion. De använde sig av en ny metod kallad FuncLib, som utgår från information om hur olika enzymer utvecklats och hur stabila de är, för att förutsäga mer effektiva varianter.
Totalt togs 3 000 nya enzymstrukturer fram och de 20 mest lovande testades i labbet. Av dessa var fyra betydligt snabbare än det ursprungliga enzymet. Det bästa var lika effektivt som moderna naturligt förekommande enzymer.
– Vår studie visar att det är möjligt att designa nya, effektiva enzymer för ett mer hållbart samhälle, säger Lynn Kamerlin.
Vetenskaplig artikel:
Enhancing a De Novo Enzyme Activity by Computationally-Focused Ultra-Low-Throughput Screening. (Valeria Risso, et al. (2020) ). Chemical Science
Kontakt:
Lynn Kamerlin, professor vid institutionen för kemi, BMC, Uppsala universitet, lynn.kamerlin@kemi.uu.se
