«Это первый случай, когда синтетические вспомогательные молекулы были созданы для изменения специфичности фермента с целью получения желаемого конечного продукта», — сказал Коиде, который также является научным директором Чикагского биомедицинского консорциума. «В этой статье мы продемонстрировали их эффективность в отношении сахаров, но можно представить себе применение этой концепции с ферментами, действующими на другие типы молекул, такие как липиды и пептиды — в настоящее время в промышленности используются буквально сотни ферментов, а миллионы потенциально могут быть использованы. полезный."Ферменты — это белки, которые запускают химические реакции и запускают сложные биологические процессы. Они действуют путем распознавания и связывания определенных молекул-мишеней, называемых субстратами.
Некоторые ферменты объединяют субстраты в новую молекулу, например, те, которые синтезируют нити ДНК из нуклеиновых кислот. Другие расщепляют субстраты на несколько продуктов, например, на те, которые расщепляют крахмал на сахара. Ферменты используются в широком спектре коммерческих применений, таких как приготовление пищевых продуктов, пищевых добавок, терапевтических средств и химических материалов.Основная цель биотехнологии — изменить активность ферментов, чтобы проводить индивидуальные реакции.
Современные методы используют генную инженерию для физического изменения ферментов. Однако это сложно выполнить и требует подробных знаний структуры и функциональной динамики ферментов, что может быть дорогостоящим, трудоемким и неэффективным.Коиде и его коллеги подошли к этой проблеме, используя свой многолетний опыт в разработке монотел — компактных белков, которые функционируют как синтетические антитела. Подобно антителам, моно тела распознают и связываются со специфическими белками-мишенями, выступая в качестве маркера или влияя на функцию.
В сочетании с их небольшим размером (примерно в 15 раз меньше, чем у антитела) и простой структурой, монотела могут быть сконструированы для связывания с точной точностью в желаемых положениях внутри молекулы-мишени, такой как фермент.Исследователи сосредоточились на бета-галактозидазе, ферменте, широко используемом в пищевой промышленности. Одно из основных его применений — производство коротких сахарных цепочек, которые могут служить полезными пребиотиками.
Этот фермент строит цепочки молекул сахара, добавляя отдельные сахарные звенья к существующим цепям. Однако его продукты имеют разную длину, что приводит к низкому содержанию желаемых коротких цепочек сахара.Команда намеревалась разработать монотело, которое заставляет фермент воздействовать только на небольшие сахарные цепочки.
Начиная с пула из примерно 10 миллиардов уникальных монотел, они использовали методы направленной эволюции, чтобы идентифицировать группу монотел, которые связаны около активного центра бета-галактозидазы. После нескольких раундов напряженных экспериментов по отбору они смогли сконструировать одно монотело, которое точно изменяло активность бета-галактозидазы, как они хотели, несмотря на ограниченные знания о том, как фермент осуществляет реакцию.Монотело частично блокирует активный центр фермента и не позволяет ему принимать большие сахара в качестве субстрата, тем самым вынуждая его производить только короткие сахарные цепи.
«Мы смогли разработать одно монотело, которое предотвращает использование бета-галактозидазой определенных сахаров в качестве исходного материала и производит только небольшие олигосахариды, что делает его гораздо более ценным катализатором для использования в промышленности», — сказал Коиде. «Наши сотрудники создали более 1000 мутантов этого фермента в предыдущих попытках достичь той же цели, и ни один из них не сделал того, что достигло это монотело. Мы очень довольны результатом».Производство моноблоков в больших количествах относительно экономично, и они уже используются биотехнологическими компаниями в качестве платформы для других приложений.
В настоящее время команда изучает другие ферменты, которым может быть полезна технология монотел, и работает с отраслевым партнером над разработкой модифицированной монотелом бета-галактозидазы для коммерческого использования.«На данный момент эта технология наиболее полезна при ограничении размера исходного материала, используемого ферментами, от большего к меньшему», — сказал Коиде. «Есть много случаев, когда хотелось бы производить только меньшие по размеру продукты, и есть много других интересных возможностей, которые мы с нетерпением ждем».