Přejít na hlavní obsah

Vědci našli nový způsob zlepšování enzymů

Týmy z MUNI a Akademie věd ČR zkoumaly, jestli se dá efektivita chemických reakcí ovlivnit i změnou fyzikálních vlastností enzymů.

Simulacím se Piia Kokkonen věnuje od doktorského studia na University of Eastern Finland, kde se ovšem zaměřovala na navrhování léčiv.

Další cestu, jak zvyšovat účinnost enzymů, představili odborníci z Loschmidtových laboratoříHeyrovského ústavu. Zaměřili se na fyzikální stránku enzymů a jejich závěry publikoval odborný časopis Journal of the American Chemical Society.

Enzymy jsou bílkoviny, které ovlivňují průběh chemických reakcí a využívají se například při likvidaci jedovatých látek v prostředí nebo při navrhování nových léčiv. Tradičně se proteinoví inženýři snaží ovlivnit chemickou stránku těchto procesů tím, že pozměňují aktivní místa v enzymech, kde k reakcím dochází. Dvě české laboratoře, jedna na Přírodovědecké fakultě MU a jedna na Akademii věd ČR, se však zaměřily na to, zda se dá efektivita chemických reakcí ovlivnit i změnou fyzikálních vlastností enzymů.

Celý projekt začal designem mutantního enzymu dehalogenázy s velmi vysokou aktivitou, který je mnohem efektivnější než jeho dosud známé alternativy. Odborníci tedy začali pátrat po tom, proč tomu tak je, a přišli s teorií, že enzym může přecházet mezi dvěma formami, z nichž každá je vybavená pro nějakou konkrétní fázi reakce. „Podobá se to zavíracímu noži s více nástroji, které se dají rychle měnit, a práce je tak efektivní a rychlá,“ přiblížil teorii Jan Sýkora z Heyrovského ústavu.

Přesněji řečeno, v enzymu jsou takzvaná aktivní místa, kde dochází k přeměně původní látky na jinou, která jsou uzpůsobená molekulám vstupujícím do reakce. Jenže řada z těchto míst je hluboko uvnitř struktury enzymu a modifikovaná látka se tam musí nějak dostat.

„Na aktivní místa procházejí molekuly systémem tunelů, v nichž existují brány, které mohou jejich průchod ovlivnit. Doposud se tvarům a vlastnostem těchto molekul přizpůsobovala aktivní místa, my jsme se ale zaměřili právě na brány v tunelech, jejichž tvar a dynamika ovlivňují, které molekuly mohou proniknout dovnitř či ven,“ doplnila první autorka studie Piia Kokkonen z Loschmidtových laboratoří Přírodovědecké fakulty MU.

Vědci z obou skupin spolupracovali na tom, aby za pomoci experimentů a počítačových simulací ukázali, jak mohou změny ve struktuře enzymu ovlivnit tyto vstupní brány a tím také jejich efektivnost. Využili k důkazu jednak takzvanou tranzitní kinetiku, která popisuje rychlost reakce, a také fluorescenční spektroskopii, která ukázala dvě prostorová uspořádání enzymu.

Jak přesně vypadají tyto dva stavy na molekulární úrovni, pak za pomoci počítačové simulace popsala právě Kokkonen. „Enzymy jsou bílkoviny složené z jednotlivých aminokyselin. Při počítačové simulaci měníme jednu nebo více z nich a kolegové pak musí v laboratoři připravit takto upravenou bílkovinu, vyčistit ji a otestovat. Změny aminokyselin totiž mohou měnit tvar a dynamiku enzymů a tedy i jejich vlastnosti,“ vysvětlila.

Simulacím se Kokkonen věnuje od doktorského studia na University of Eastern Finland, kde se ovšem zaměřovala na navrhování léčiv. „V Brně jsem se vlastně dostala na druhou stranu tohoto procesu a přineslo mi to nové pohledy nejen na hledání nových léčivých látek, ale také enzymů. Mohu tak o řešení konkrétních problémů přemýšlet z více stran,“ podotkla mladá vědkyně.

Příprava studie zabrala zhruba pět let a podílelo se na ní okolo patnácti odborníků z Loschmidtových laboratoří a Heyrovského ústavu. Piia Kokkonen se k týmu přidala později, na Masarykovu univerzitu totiž nastoupila asi před třemi lety, kdy se přihlásila na volnou pozici.

„Před tím jsem zdejší laboratoře neznala a musím se přiznat, že jsem si dokonce musela na mapě najít Českou republiku,“ řekla s úsměvem a dodala, že v Česku se jí líbí, jen jazyk jí přijde zvláštní a lidé rezervovaní do doby, než je lépe poznáte. „Ale mají rádi pivo a hokej, což je jako ve Finsku. Vlastně jsou si naše země docela podobné.“

Chválí také výzkumnou infrastrukturu a pracovní prostředí. Na MUNI bude ještě minimálně rok a s kolegy chce pokračovat ve výzkumu vlivu konformační dynamiky na různé enzymatické funkce. „Plánujeme také vyvinout softwarový nástroj, který tuto novou strategii enzymového inženýrství otevře širší výzkumné komunitě,“ doplnil Zbyněk Prokop z centra RECETOX, který se na výzkumu podílel.

Hlavní novinky z Masarykovy univerzity