مهندسی آنزیم های بهتر با تجزیه آنها

محققان از یک روش محاسباتی برای طراحی هزاران آنزیم فعال مختلف با کارایی بی سابقه رونمایی کردند.

آنزیم‌ها پتانسیل تغییر صنایع شیمیایی، با ارائه جایگزین‌ها برای مجموعه‌ای از فرآیندها را دارند. این پروتئین ها به عنوان کاتالیزورهای بیولوژیکی عمل می کنند و با کمک مهندسی مولکولی، می توانند واکنش های طبیعی را به حالت توربو تغییر دهند. برای مثال، آنزیم‌های سفارشی می‌توانند منجر به تولید داروهای غیرآلاینده شوند. آنها همچنین می توانند با خیال راحت آلاینده ها، فاضلاب و زباله های کشاورزی را تجزیه کنند و سپس آنها را به سوخت زیستی یا خوراک حیوانات تبدیل نمایند.

شرح پژوهش

مطالعه جدید موسسه علوم وایزمن که در Science منتشر شده است، این دیدگاه را به واقعیت نزدیکتر می کند. در این گزارش، محققان به سرپرستی پروفسور سارل فلیشمن از دپارتمان علوم زیست مولکولی، از یک روش محاسباتی برای طراحی هزاران آنزیم فعال مختلف با کارایی بی‌سابقه، با مونتاژ آنها از بلوک‌های ساختمانی مدولار مهندسی شده، رونمایی کردند.

تیم فلیشمن ایده تولید تعداد زیادی آنزیم متنوع، با شکستن آنزیم‌های طبیعی به قطعات تشکیل‌دهنده را مطرح کردند که با این متد، آنزیم ها می‌توانند به روش‌های مختلف تغییر داده و مجدد ترکیب شوند.

الهام ‌بخش این رویکرد جدید از درون بدن است. سیستم ایمنی ما  قادر به ساخت میلیاردها آنتی‌بادی مختلف میباشد، پروتئین‌هایی که اصولاً می‌توانند با هر میکروارگانیسم مضر مقابله کنند که این آنتی بادی ها فقط از بخش های دیکته شده توسط تعداد نسبتاً کمی از ژن‌ها به وجود می آیند. فلیشمن توضیح می دهد: “آنتی بادی ها تنها خانواده پروتئین ها در طبیعت هستند که به روش مدولار تولید می شوند.”تنوع عظیم آنها با ترکیب مجدد قطعات ژنتیکیِ از قبل موجود، مشابه نحوه مونتاژ یک دستگاه الکترونیکی جدید از ترانزیستورها و واحدهای پردازشیِ از قبل موجود، به دست می آید.”

آیا می‌توان آنزیم‌هایی مانند آنتی‌بادی‌ها، از قطعات مدولار طراحی‌شده در آزمایشگاه که در ساختارهای بزرگ‌تر ترکیب می‌شوند تولید کرد؟

Rosalie Lipsh-Sokolik، دانشجوی دکترا که این مطالعه را در آزمایشگاه Fleishman مدیریت می‌کرد، شروع به آزمایش با خانواده‌ای متشکل از ده ها آنزیم نمود که زایلان، جزء مشترک دیواره‌های سلولی گیاه را تجزیه می‌کنند. Lipsh-Sokolik می‌گوید: «اگر بتوانیم فعالیت این آنزیم‌ها را تقویت کنیم، ممکن است از آنها برای تجزیه ترکیبات گیاهی مانند زایلان و سلولز به قند استفاده شود که به نوبه خود می‌تواند به تولید سوخت‌های زیستی کمک نمایند.» به‌عنوان مثال، به‌جای دفع زباله‌های کشاورزی، باید بتوانیم آن‌ها را به منبع انرژی تبدیل کنیم».

Lipsh-Sokolik الگوریتمی را توسعه داد که از محاسبات طراحی پروتئین مبتنی بر فیزیک، همراه با یک مدل یادگیری ماشینی جدید استفاده می کند. این الگوریتم هر یک از انواع مختلف آنزیم های لازم برای شکستن زایلان را به چند قطعه تقسیم کرد و سپس ده ها جهش را در آن قطعات شناسایی نمود. سپس قطعات را در ترکیب‌های مختلف جمع کرده و میلیون‌ها الگو از آنزیم‌های رمزگذاری‌شده که پایدار بودند را انتخاب نمود.

گام بعدی لیپش-سوکولیک و همکارانش سنتز یک میلیون آنزیم واقعی از این مدل های کامپیوتری و آزمایش آنها در آزمایشگاه بود. در کمال تعجب آنها، فعال بودن ۳۰۰۰ مورد تایید شد. فلیشمن می گوید: «اولین باری که به نتایج آزمایشی نگاه کردیم، شگفت زده شدیم. در طراحی پروتئین و مطالعات مهندسی معمولی، شاید به طور میانگین ده‌ها آنزیم فعال را مشاهده کنید.

Lipsh-Sokolik می‌گوید: « این پیشرفت بسیار خوبی است وقتی می‌توانید آنزیم‌هایی با چنین سطوح بالایی با استفاده از یک روش کاملاً خودکار ایجاد کنید».
فلیشمن می‌گوید روش جدید ویزمن، که دانشمندان آن را CADENZ می‌نامند (مخفف ترکیب و طراحی آنزیم‌ها) می‌تواند برای انواع پروتئین‌ها اعمال شود. تیم او در حال حاضر در حال بررسی کاربردهای این روش برای تولید آنتی بادی های جدید و بهبود یافته یا ایجاد انواع پروتئین های فلورسنت است که به طور گسترده در زیست شناسی استفاده می شود.

نتیجه پژوهش

فلیشمن در ادامه می گوید: «از آنجا که آنزیم ها، آنتی بادی ها و واکسن ها پروتئین هستند یکی از اهداف من تغییر روش مهندسی آنزیم ها، آنتی بادی ها و سایر پروتئین ها است. مهندسی پروتئین در حال تبدیل شدن به بخش مهم و کارآمدی در اقتصاد و سلامت عمومی است.