Förhistoriska enzymer kan ge grönare kemi

10 juni 2020

Illustration av tre olika enzymer

Genom att utgå ifrån uråldriga proteinstrukturer kan man skapa enzymer för nya kemiska reaktioner och sedan använda bioinformatiska beräkningar för att göra dem mer effektiva.

En forskargrupp vid Uppsala universitet har återskapat flera miljarder år gamla enzymer och programmerat om dem för att skynda på helt andra kemiska reaktioner än vad deras moderna varianter klarar av. Metoden kan användas för att utveckla hållbara lösningar inom biotekniken, för till exempel bioreaktorer eller kemisk nedbrytning av miljögifter. Studien har publicerats i tidskriften Chemical Science.

Lynn Kamerlin är professor vid institutionen för
kemi-BMC. Foto: Mikael Wallerstedt

– 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.

Snabba på ovanliga reaktioner

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.

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.

Använde kraftfulla datorer

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.

Publikation

Valeria Risso, et al. (2020) Enhancing a De Novo Enzyme Activity by Computationally-Focused Ultra-Low-Throughput Screening, Chemical Science: DOI: 10.1039/D0SC01935F

Studien är publicerad i Chemical Science, som är flaggskeppet bland Royal Society of Chemistrys tidskrifter, och gratis att läsa här: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/sc/d0sc01935f