Příroda se neobejde bez enzymů – bílkovin, které urychlují chemické reakce v živých organismech. Enzymům vděčíme například za pivo či víno, nepochutnali bychom si na tvrdých sýrech a v zásadě bychom bez nich ani nevyprali. Lidé však využívají enzymy také v biomedicíně, průmyslu a při ochraně životního prostředí. Bohužel jen relativně málo enzymů dosahuje optimálních vlastností, a tak se vědci po desetiletí snaží získat efektivnější enzymy. Přitom neustále naráží na zásadní otázku: Je lepší upravit již existující enzymy pomocí proteinového inženýrství, nebo hledat nové v ohromné rozmanitosti přírody?
Badatelé z Loschmidtových laboratoří z RECETOXu Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity a Mezinárodního centra klinického výzkumu (ICRC) ve spolupráci s kolegy z ETH v Curychu a Greifswaldské univerzity se rozhodli jít cestou hledání nových enzymů. Výsledky svého šestiletého výzkumného projektu publikovali v mezinárodním prestižním časopise Chem Catalysis. Jejich cílem bylo nalézt efektivnější varianty z rodiny enzymů, které dokážou odbourávat halogenované uhlovodíky znečišťující životní prostředí. Hledání začalo v genomických databázích, ve kterých se v současnosti nachází stovky milionů sekvencí genů, jež kódují dosud neznámé proteiny. Pomocí in house webového nástroje EnzymeMiner dokázali z tohoto nepřeberného množství sekvencí vybrat nejslibnější kandidáty. „Dalo by se to přirovnat k hledání jehel v kupce sena. Pomocí EnzymeMineru dokážeme velmi dobře rozlišit jehlu od stébla. Nicméně v dalším kroku potřebujeme zjistit, jestli jsou vybrané jehly dostatečně ostré – neboli experimentálně ověřit, že jsou vybrané enzymy dostatečně rychlé,“ uvedl první autor studie Michal Vašina.
Proto vědci tyto vybrané kandidáty následně připravili v laboratoři a studovali jejich vlastnosti za pomocí dvou mikrofluidních platforem – moderních technologií, které dokážou pracovat s miniaturními objemy vzorků a šetřit čas. První platformu MicroPEX použili výzkumníci na systematickou charakterizaci rychlostí enzymatických reakcí, druhá platforma KinMAP jim umožnila nahlédnout do samotného mechanismu enzymových reakcí. „Úspora času i finančních prostředků je ohromná. Díky této metodě naměříme za jediný týden stejné množství dat, jaké bychom běžnými technologiemi získali až za několik měsíců,“ uvedl expert na mikrofluidní metody Zbyněk Prokop.
Pokud se vrátíme k otázce z úvodu článku, jestli je lepší enzymy objevovat nebo upravovat, tak tato vědecká studie dává jednoznačnou odpověď. Historicky první enzymy, které dokážou odbourávat halogenové uhlovodíky, se podařilo identifikovat již před více než 30 lety, zatímco proteinové inženýrství se pro jejich úpravu používá přibližně 25 let. Za tuto dobu byly popsány vlastnosti dvaceti pěti objevených a více než sta upravených enzymových variant. Při porovnání získaných dat vědci zjistili, že nově získané enzymy mají lepší vlastnosti než jakýkoli do té doby objevený nebo upravený enzym ze stejné rodiny.
Jak tedy získat efektivnější enzymy? Vědci z Loschmidtových laboratoří na základě svých zkušeností odpovídají: „Nepodceňujme přírodu. Díky své rozmanitosti má v záloze arzenál efektivních enzymů, které jen čekají na své objevení!“
Publikace:
https://doi.org/10.1016/j.checat.2022.09.011
Synergie pokročilé bioinformatiky a mikrofluidiky pomáhá hledat efektivní enzymy, které se uplatňují při recyklaci meziproduktů chemické syntézy, rozkladu látek znečišťujících životní prostředí nebo pro přípravu aktivních farmaceutických substancí.
