Как бактериальный фермент помогает создавать лекарства без токсичных отходов?
Окисление спиртов — ключевой этап в производстве многих лекарств, ароматизаторов и пищевых добавок. Традиционно этот процесс требует агрессивных реагентов, высоких температур и оставляет токсичные отходы. Исследователи из Лиссабона нашли более экологичную альтернативу: бактериальный фермент PsGalOx обрабатывает сахара и спирты в 40–1800 раз эффективнее прежних вариантов. Как сообщается на Phys.org, это первая галактозооксидаза, обнаруженная у бактерий.
Бактериальный фермент с необычным строением
Грибы давно известны как источник галактозооксидаз — белков, которые мягко окисляют спирты и простые сахара при комнатной температуре, используя лишь кислород. Но бактериальные аналоги не поддавались учёным годами. «Фермент было исключительно трудно получить в растворимой форме, а значит — охарактеризовать», — объясняет Лигия Мартинс, руководитель лаборатории микробных и ферментных технологий в ITQB NOVA.
Переломным моментом стало появление системы искусственного интеллекта AlphaFold. Её структурные предсказания позволили исследователям разобраться в необычной архитектуре белка и понять, какие изменения могут улучшить его производство. Для сравнения: у изученных грибных ферментов есть один каталитический модуль и несколько дополнительных. У бактериального PsGalOx, как выяснилось, в дополнение к каталитическому модулю — два почти одинаковых сахар-связывающих модуля.
Это открытие заставило усомниться в упрощении, будто сахар-связывающие модули взаимозаменяемы. Хотя дублированные участки совпадают примерно на 80%, их функции разошлись. «Один модуль в основном связывает сахара, другой — отвечает за стабильность белка», — поясняет Томаш Фразан, один из первых авторов работы и докторант ITQB NOVA.
Два модуля, разные роли
Чтобы доказать, что дублированные части действительно выполняют разные задачи, команда провела серию экспериментов. Результаты показали: если удалить участок, отвечающий за связывание, фермент теряет способность эффективно работать с глюкозой и галактозой. А вот удаление «стабилизирующего» модуля резко снижало растворимость белка — он начинал слипаться в неактивные агрегаты.
Для промышленности это различие принципиально. Ведь именно стабильность фермента определяет, можно ли использовать его в больших реакционных ёмкостях.
Направленная эволюция изменила правила игры
Следующая задача — улучшить PsGalOx. Учёные воссоздали естественный отбор в лаборатории, используя метод направленной эволюции. Они вносили случайные мутации и скринировали тысячи бактериальных колоний, выискивая варианты с лучшими показателями. И вот тут их ждал сюрприз.
Сходные сахар-связывающие модули неожиданно рекомбинировали, образуя единый гибридный домен. Полученные варианты продуцировали больше растворимого белка. При этом возросшая активность оказалась связана не с ускорением самой реакции, а с увеличением количества фермента в клетке. Это различие помогло точнее настроить дальнейшие модификации.
- Классическая химия требует жёстких условий и даёт токсичные отходы;
- ферменты бактерий работают в мягких условиях;
- улучшенный PsGalOx стал эффективнее в десятки и сотни раз.
В финале команда получила вариант, который обрабатывает широкий спектр сахаров и спиртов в 40–1800 раз эффективнее природной формы. Интересно, что этот прорыв — результат не одного изменения, а комбинации рекомбинации доменов и точечных замен в белковой структуре.
Практические перспективы для промышленности
Окисление спиртов необходимо для синтеза многих соединений: от пищевых добавок до фармацевтических субстанций и ароматизаторов. Поэтому новый фермент из бактерий может стать полезным инструментом для производства ценных молекул.
В планах исследователей — продолжить инженерию PsGalOx, чтобы он действовал на субстраты, важные для реальной промышленности. «Это создаст универсальный промежуточный продукт для пищевых, фармацевтических и материаловедческих приложений», — отмечает Мартинс. Кроме того, команда хочет изучить эволюционное разнообразие бактериальных оксидаз. «Это поможет понять, как формировалась специфичность, и найти прочные универсальные каркасы для новых биокатализаторов», — добавляет она.
Работа выполнена в сотрудничестве с лабораторией биоорганической химии ITQB NOVA, лабораторией прикладной кристаллографии и компанией Zymvol Biomodeling. Полные результаты опубликованы в журнале Chem & Bio Engineering (DOI: 10.1021/cbe.6c00167).
Наиболее обнадеживает то, что улучшенный PsGalOx — не единичный случай, а подтверждение общей закономерности: даже почти идентичные модули белка могут выполнять разные функции, и искусственная эволюция способна это эффективно использовать.
Сколько ещё скрытых ферментов с необычной архитектурой ждут своего часа в бактериальных геномах? Возможно, искусственный интеллект и направленная эволюция помогут превратить их в рабочие инструменты для зелёной химии.
