Szybsze katalizatory

Biochemicy są w stanie zmienić enzym, w taki sposób, że katalizuje on reakcję wielokrotnie szybciej niż niezmodyfikowane białko.

Przykładem jest zmieniony enzym restrykcyjny BstYI, w którym stosunek kcat/Km zwiększył się dwunastokrotnie w stosunku do wyjściowego enzymu względem specyficznej sekwencji [1]. W jaki sposób naukowcy potrafią otrzymać w laboratorium ulepszone katalizatory, takie jak ta restryktaza?

Możliwe są dwa koncepcyjnie odmienne podejścia:

pierwsze z nich polega na przemyślanym uzyskaniu białka o zmienionych wybranych aminokwasach. Wprowadza się je tak, aby zmiana struktury pierwszorzędowej wpłynęła na pożądaną zmianę w strukturze trzeciorzędowej, prowadząc do poprawy własności białka np. prędkości katalizy enzymatycznej. Wadą tego podejścia jest to, iż ciągle niewiele wiadomo o relacji między składem aminokwasowym a strukturą i funkcją, przez co przewidzenie, jaki aminokwas należy zmienić czasem jest bardzo trudne, lub niemożliwe. Pozytywną stroną są duże wartości poznawcze takich badań.

Drugie podejście nie wymaga takiej wiedzy. W skrócie polega na otrzymaniu na podstawie badanego enzymu dużej ilości białek o mniej lub bardziej zmienionym składzie aminokwasowym, czyli na tak zwanym utworzeniu biblioteki białek, a następnie na przeszukaniu tej biblioteki przy wykorzystaniu odpowiedniej metody (może to być np. selekcja kolonii bakteryjnych na płytkach), w celu odnalezienia najlepszego białka. Jeśli dostępnie jest DNA/RNA wyszukanego białka, możliwe jest ponowne wprowadzenie mutacji do tego genu i otrzymanie kolejnej, potomnej można by powiedzieć, biblioteki białek, które potem można znowu poddać selekcji i tak aż do... końca odczynników. Przypomina to ewolucję, w której zmiany kolejno powstają i są akumulowane bądź odrzucane przez dobór naturalny. To jest przyczyna, dla której nazwano to podejście ukierunkowaną ewolucją.

W taki sposób powstała wielokrotnie szybsza względem wybranej sekwencji restryktaza BstYI i wiele innych zmodyfikowanych białek, nie tylko enzymatycznych. Niektóre z nich (np. LipoPrime® lub Kannase®) weszły do użycia w przemyśle, lub medycynie (np. Vitaxin, w 2003 drugiej fazie testów na ludziach chorych na raka).

Źródło, literatura dodatkowa:
[1] Samuelson JC, Xu SY: Directed evolution of restriction endonuclease BstYI to achieve increased substrate specificity. J.Mol.Biol. 2002, 319:673-683

http://www.che.caltech.edu/groups/fha/Enzyme/directed.html