U enzymů záleží nejen na tom, jak vypadají, ale i na tom, jak se pohybují a reagují s okolím. Přišli na to odborníci z Loschmidtových laboratoří Přírodovědecké fakulty MU a Recetoxu ve spolupráci s kolegy z Akademie věd ČR. Díky neúspěšnému experimentu s enzymy zpřesnili 120 let starou teorii nositele Nobelovy ceny Hermanna Emila Fischera, která říká, že funkce enzymu je určována strukturou jeho aktivního místa. Skupina deseti českých vědců dokázala, že toto pravidlo pro všechny enzymy neplatí.
Chemici vzali dva enzymy s různými katalytickými vlastnostmi pocházející ze dvou rozdílných bakterií a upravili jejich strukturu tak, aby byla shodná. „Naším cílem bylo za pomocí genetických úprav přeměnit enzym z bakterie Rhodococcus rhodochrous na enzym z bakterie Bradyrhizobium japonicum. Jenže se ukázalo, že i když se nám postupnými úpravami podařilo přesně napodobit strukturu cílového enzymu, získaný produkt neměl stejné katalytické vlastnosti,“ popsal postup výzkumu vedoucí Loschmidtových laboratoří Jiří Damborský.
Po neúspěšném transplantačním experimentu, při němž odborníci postupně přenesli aminokyseliny z jednoho proteinu do druhého, přemýšleli, proč bílkoviny se shodnou strukturou oproti předpokladům nefungují stejně. „V enzymologii se v posledních letech řeší důležitá otázka, jakou roli hraje dynamika proteinu a jeho interakce s okolím pro jeho správnou katalytickou funkci,“ nastínil směr úvah Damborský.
Enzymy mají tendenci být neustále v pohybu. Tyto pohyby mohou být extrémně rychlé i pomalejší, přičemž se celá struktura střídavě otevírá a uzavírá. Enzymy také reagují s okolím, především s molekulami vody, které je obklopují. I tento proces, nazývaný solvatace, je podle Damborského pro funkci některých enzymů důležitý.
S výzkumem dynamiky a interakce s okolní vodou pomohli odborníků z Brna kolegové z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, kteří zkoumali výchozí a pozměněný enzym pomocí femtosekundové spektroskopie. Na proteiny umístili fluorescenční značku, která se aktivovala laserem, a měřili, jak se značka pohybuje a reaguje na své okolí. Toto měření umožňuje studovat procesy v femtosekundách, což je 10-15 sekundy. „Experimenty ukázaly, že přestože jsou oba enzymy svou strukturou identické, z hlediska dynamiky a solvatace má vytvořená bílkovina stále vlastnosti svého původního ‚rodiče', nikoliv cílového proteinu,“ uvedl hlavní řešitel projektu Jan Brezovský.
„Dynamiku a solvataci enzymů jsme experimentálně sledovali pomocí unikátní metody vyvinuté na Heyrovského ústavu. Dosažené výsledky pak potvrdily teoretické simulace v Loschmidtových laboratořích,“ uvedl Martin Hof z akademie věd. Z původně zamýšleného a vlastně neúspěšného aplikovaného výzkumu, kdy se chemici snažili designovat nový enzym využitelný ve farmaceutickém průmyslu, se zrodil významný příspěvek do diskuze v oblasti základního výzkumu enzymů.
„Biologické katalyzátory se dnes využívají v mnoha oblastech praktického života, od pracích prášků v domácnostech, přes doplňky v potravinářství až po ´zelené´ technologie v chemickém a textilním průmyslu. Vzhledem k jejich přírodnímu původu nezatěžují životní prostředí. Ne všechny enzymy ale dokážeme získat v dostatečném množství a mnohé nesplňují požadavky pro využití v technologických procesech. Proto se snažíme vlastnosti enzymů vylepšit metodami proteinového inženýrství,“ vysvětlil cíle výzkumu enzymů Damborský.
Objev, který publikoval renomovaný vědecký časopis Nature Chemical Biology, ovlivní další práci chemiků. „Nyní víme, že u některých enzymů změna struktury nestačí a musíme se zaměřit i na další vlastnosti, což bude velmi obtížné,“ podotkl Brezovský. Doplnil, že tento projekt řešili vědci osm let a prováděli ho na enzymech, které jsou příbuzné - k přeměně struktury tak stačilo jen 12 kroků. „Aktuálně modelujeme další mutace této bílkoviny a snažíme se do ní vložit dynamiku a solvataci. Chceme také vylepšit metodiku značení proteinu fluorescenční značkou tak, že se ji snažíme zabudovat přímo do struktury enzymu.“
» článek publikovaný v Nature Chemical Biology naleznete zde
