В статье, опубликованной в Structure, исследовательская группа сообщила о новаторском использовании нейтронной и рентгеновской кристаллографии и высокопроизводительных вычислений для изучения того, как фермент D-ксилозоизомераза, или XI, может вызывать биохимическую реакцию в натуральном сахаре с образованием редких сахаров. . В отличие от лекарств из натуральных сахаров, лекарства из редких сахаров не влияют на клеточные процессы. В результате редкие сахара находят важное коммерческое и биомедицинское применение в качестве прекурсоров для синтеза различных противовирусных и противораковых препаратов с меньшим количеством побочных эффектов.«Цель этого исследования — резко повысить эффективность ферментов, которые могут использоваться фармацевтической промышленностью для синтеза прекурсоров лекарств», — сказал ведущий автор исследования Андрей Ковалевский из ORNL. «Мы пытаемся найти новый способ создания ферментов — нейтронные исследования в сочетании с высокопроизводительными вычислениями могут быть элегантным средством для этого».
Ферменты ускоряют реакции в организмах, в конечном итоге делая возможной саму жизнь, и все чаще используются в промышленности для синтеза соединений с добавленной стоимостью. Биотехнологический синтез «экологичнее», чем другие методы, в которых используются химические катализаторы на основе тяжелых металлов и большие количества органических растворителей. Однако многие природные ферменты не очень хорошо подходят для промышленных процессов.
XI, например, эффективно используется для производства кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы из крахмала в пищевой промышленности, но его применение в фармацевтической промышленности ограничено его характеристиками. Исследователи в фармацевтической промышленности хотят создать мутации в ферментах для улучшения реакций.
Но сначала они должны понять, как работают ферменты.«Мы понятия не имели, как фермент, D-ксилозоизомераза, связывает свой нефизиологический субстрат — природный сахар L-арабинозу», — сказал Ковалевский. «Вы должны знать, как фермент связывает свой субстрат, чтобы создавать мутации, улучшающие связывание и реакцию».
Используя рентгеновскую и нейтронную кристаллографию в сочетании с теоретическими расчетами, команда выяснила, как фермент изомеризует L-арабинозу в редкую сахарную L-рибулозу, а затем эпимеризует последнюю в другую редкую сахарную L-рибозу. Важно отметить, что L-рибоза является энантиомером, зеркальным отражением вездесущей D-рибозы, которая является строительным блоком ДНК и РНК.«Мы обнаружили, совершенно неожиданно, что фермент связывает субстрат L-арабинозу — богатый природный сахар, обнаруживаемый в растениях, — с очень высокой энергетической геометрией в активном центре, что объяснило низкую эффективность ксилозоизомеразы с субстратом и предоставило нам подсказки о том, как мы можем перестроить его, чтобы улучшить его деятельность », — сказал Ковалевский.
Объединив кристаллографические наблюдения и вычисления, команда увидела, что фермент XI изомеризует сахар L-арабинозу при связывании с активным центром. Изомеризация — это процесс, при котором сахар меняет свою конфигурацию в результате химической реакции. Активный центр фермента — это место связывания, в котором катализ осуществляется на субстратах или где ингибиторы присоединяются, препятствуя катализу.
Связывание субстрата в геометрии с высокой энергией означает, что эффективность катализа будет низкой, что исследователи хотели бы улучшить, объяснил Ковалевский.Это первый раз, когда исследователи рассмотрели ферментативный синтез путем объединения нейтронов, рентгеновских лучей и высокопроизводительных вычислений.«Нейтронная кристаллография дает определение местоположения атомов водорода, что важно в ферментативных реакциях, когда водород перемещается в большом количестве», — сказал Ковалевский. «Рентгеновские лучи не могут увидеть эти реакции.
Но если у вас есть нейтронные структуры и вы знаете положение водорода, ваши расчеты и теоретические модели будут намного более правильными».В прошлом исследователям приходилось делать выводы о местонахождении атома водорода на основе химических знаний, что, как показывает опыт, могло быть ошибочным. Теперь нейтроны показывают точное местоположение атомов водорода, поэтому им не нужно гадать.
Расчеты могут ввести в заблуждение, если атомы водорода размещены неправильно, что во многих случаях приводит к неверным выводам из расчетов о том, как функционируют ферменты. Объединение нейтронов, расчетов и моделирования дает более полное представление о механизмах ферментов и полное представление о том, как работают ферменты.
Ковалевский сказал, что в будущих моделях будет изучена возможность адаптации активного центра XI для связывания низкоэнергетических конформаций L-арабинозы для улучшения каталитической активности.