Da li je moćniji dizajn ili evolucija? Problematika dizajniranja enzima

Reakcije koje se dešavaju u organizmima ne mogu uvek same da se finaliziraju. U tim situacijama im pomažu enzimi. Enzimi su neophodni za život kakav poznajemo, jer su mnoge reakcije koje se odvijaju u ćelijama organizma prespore i bez enzima (koji ih ubrzavaju) bi vodile do bitno drugačijih produkata koje organizmu ili ne trebaju, ili bi mu čak štetili. Jedna greška (genetska mutacija, nedovoljna proizvodnja, ili hiperprodukcija) jednog jedinog enzima može biti glavni uzrok teških genetskih poremećaja.

Zapravo, svaka biohemijska reakcija ima svoj specifični enzim, mada postoje i enzimi koji mogu katalizirati (ubrzavati) više reakcija. Prisutnost enzima na ovaj način omogućava izuzetno komplikovane hemijske cikluse u organizmima uključujući i one koje organizmi koriste za metabolizam. Čist primer, pepsin i tripsin koji se koriste u procesu probave proteina, ili recimo enzim Glyoxalase I, jedan od najkritičnijih bez kojeg naše ćelije ne bi mogle vršiti detoksifikaciju.

3D model enzima Glyoxalase I  poznatog i kao
Laktoilglutationska lijaza (EC 4.4.1.5).

Do danas je poznato preko 5000 enzima. Svi ovi enzimi podeljeni su prema reakcijama koje kataliziraju u šest grupa i svi imaju svoju oznaku u međunarodno prihvaćenom indeksu. Enzimi se takođe svakodnevno koriste i u proizvodima kao što su deterdženti za sudove, veš, i razne druge kućne hemikalije, zbog ovih industrijskih potreba postoji veliko interesovanje da se proizvedu veštački enzimi koji bi katalizovali reakcije važne upravo za industrijsku proizvodnju.

Decenijama se pokušava sa namernom proizvodnjom enzima koji bi radili ono što mi želimo da rade, uglavnom bez uspeha. U većini slučajeva, namerni dizajn počinje od već postojećeg enzima, koji se zatim "inžinjeriše" da postigne nešto veću efikasnost, ili malkice promenjenu specifičnost.

Pre nekoliko godina, Jiang i kolege su pomoću racionalnog kompjuterskog dizajna proizveli enzim (retro-aldolazu RA95.0) koji katalizuje veoma preciznu i veoma specifičnu hemijsku reakciju (hidroliza 4-hidroksi-4-(6-metoksi-2-naftil)-2-butanon u 6-metoksi-2-naftaldehid i aceton). Ova reakcija se događa sama od sebe, ali veoma sporo; enzim je ubrzava oko 15,000 puta.

Kompijuterski dizajnirani enzim retro-aldolaza RA95.0.

Mada cifra od 15,000 izgleda impresivno, radi se o veoma malom efektu. Ovo je i dalje neuporedivo sporije i neefikasnije od prirodnih enzima. Ali je lep uspeh ideje da se može dizajnirati enzim koji na svojoj površini ima specifično mesto vezivanja potrebne hemikalije, i specifične amino-kiseline koje precizno izvode baš određenu reakciju.

U novom tekstu za Nature Chemical Biology, Giger i kolege su nastavile ovaj proces drugačijom metodom. Umesto racionalnog dizajna pred kompjuterom, uzeli su originalni protein i počeli da u njega unose potpuno slučajne mutacije. Onda bi analizirali mutante, uzeli onaj koji radi najbolje, i na njemu izveli sledeću seriju slučajnih promena.

Rezultat ?

Kroz prirodnu selekciju, proizveli su enzim koji ubrzava reakciju za faktor od 25 miliona. Dakle, rezultat koji je hiljadama puta bolji. Što je najzanimljivije u celoj stvari, mutacije su potpuno promenile mesto na kome se reakcija odigrava. Jiang i kolege su provele godine (i bezbrojne hiljade sati superkompjuterskog vremena) pažljivo "gradeći" aktivni "džep" originalnog enzima. Precizno su orjentisali sve delove proteina tako da dobiju što bolji rezultat.

U ovom novom eksperimentu, očekivanje je bilo da će slučajne mutacije možda malkice optimizovati i unaprediti to početno stanje. Da će dizajnirani oblik ostati isti, ali da će selekcija naći dodatna mala unapređenja koja su ljudi prevideli.

To se nije desilo. Naprotiv, niz slučajnih mutacija je taj džep potpuno uništio, proizveo potpuno novi i drugačiji džep na drugom mestu (koji mnogo preciznije vezuje početnu supstancu), i regrutovao sasvim neočekivanu amino-kiselinu da katalizuje centralni deo reakcije daleko većom brzinom.

Petim rečima, slučajne mutacije + selekcija su ne samo proizvele rezultat koji je neuporedivo bolji od namernog dizajna, već su to uradile potpuno ignorišući osnovne principe na kojima je dizajn uopšte rađen. Evolucija je prosto neuporedivo bolji i efikasniji proces nego racionalni dizajn.

Zvanična studija:
Evolution of a designed retro-aldolase leads to complete active site remodeling.
Nature Chemical Biology 9, 494–498 (2013) doi:10.1038/nchembio.1276

Reference

• Khersonsky, O. et al. Bridging the gaps in design methodologies by evolutionary optimization of the stability and proficiency of designed Kemp eliminase KE59. Proc. Natl. Acad. Sci. USA109, 10358–10363 (2012).
• Bolon, D.N. & Mayo, S.L. Enzyme-like proteins by computational design. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98, 14274–14279 (2001).
• Jiang, L. et al. De novo computational design of retro-aldol enzymes. Science 319, 1387–1391 (2008).
• Röthlisberger, D. et al. Kemp elimination catalysts by computational enzyme design. Nature 453, 190–195 (2008).
• Privett, H.K. et al. Iterative approach to computational enzyme design. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, 3790–3795 (2012).