Enzyme sind molekulare Maschinen, die die chemischen Reaktionen durchführen, die das gesamte Leben aufrechterhalten, eine Fähigkeit, die die Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat Wissenschaftler mögen mich.
Betrachten Sie Muskelbewegungen. Ihr Körper setzt ein Molekül namens Acetylcholin frei, um Ihre Muskelzellen zum Zusammenziehen auszulösen. Wenn sich Acetylcholin zu lange anhält, kann es Ihre Muskeln lähmen – einschließlich Ihrer Herzmuskelzellen – und das ist das. Hier ist das Enzym Acetylcholinesterase Kommt herein. Dieses Enzym kann Tausende von Acetylcholinmolekülen pro Sekunde abbauen, um sicherzustellen, dass die Muskelkontraktion gestoppt wird, die Lähmung vermieden und das Leben fortgesetzt wird. Ohne dieses Enzym würde es einen Monat dauern, bis ein Molekül Acetylcholin selbst zusammenbricht – ungefähr 10 Milliarden Mal langsamer.
Sie können sich vorstellen, warum Enzyme für Wissenschaftler von besonderem Interesse sind, die moderne Probleme lösen möchten. Was wäre, wenn es eine Möglichkeit gäbe, Kunststoff abzubauen, Kohlendioxid zu fangen oder Krebszellen so schnell zu zerstören, wie Acetylcholinesterase Acetylcholin abbricht? Wenn die Welt schnell Maßnahmen ergreifen muss, sind Enzyme ein überzeugender Kandidat für den Job – wenn nur Forscher sie entwerfen könnten, um diese Herausforderungen bei Bedarf zu bewältigen.
Das Entwerfen von Enzymen ist leider sehr schwierig. Es ist, als würde man mit einem LEGO-Set mit Atomgröße arbeiten, aber die Anweisungen gingen verloren und das Ding wird nicht zusammenhalten, es sei denn, es ist perfekt zusammengebaut. Neu veröffentlichte Forschungen unseres Team Bauen Sie diese komplexen molekularen Strukturen genau auf.
Was ist ein Enzym?
Schauen wir uns genauer an, was ein Enzym ausmacht.
Enzyme sind Proteine-Liege Moleküle, die die Arbeit hinter den Kulissen erledigen, die alle Lebewesen am Leben erhalten. Diese Proteine bestehen aus Aminosäuren, einer Reihe von Bausteinen, die zusammengenäht werden können, um lange Saiten zu bilden, die in bestimmte Formen geknotet werden.
Die spezifische Struktur eines Proteins ist der Schlüssel zu seiner Funktion genauso wie die Formen alltäglicher Objekte. Ähnlich wie ein Löffel ausgelegt ist, um Flüssigkeit so zu halten, dass ein Messer einfach nicht kann, sind die Enzyme, die mit dem Bewegen Ihrer Muskeln verbunden sind, nicht gut für die Photosynthese in Pflanzen geeignet.
Damit ein Enzym funktioniert, wird eine Form verwendet, die perfekt zu dem Molekül entspricht, das es verarbeitet, ähnlich wie a Sperre entspricht einem Schlüssel. Die einzigartigen Rillen im Enzym – das Schloss -, das mit dem Zielmolekül – dem Schlüssel – interagiert, sind in einer Region des Enzyms zu finden, die als aktives Zentrum bekannt ist.
Das aktive Zentrum des Enzyms orientiert genau Aminosäuren, um mit dem Zielmolekül zu interagieren, wenn es eintritt. Dies erleichtert es dem Molekül, sich einer chemischen Reaktion zu unterziehen, um sich in eine andere zu verwandeln, wodurch der Prozess schneller wird. Nachdem die chemische Reaktion durchgeführt wurde, wird das neue Molekül freigesetzt und das Enzym ist bereit, einen weiteren zu verarbeiten.
Wie entwirft man ein Enzym?
Wissenschaftler haben Jahrzehnte damit verbracht, ihre eigenen Enzyme zu entwerfen, um neue Moleküle, Materialien oder Therapeutika herzustellen. Aber Enzyme, die so schnell aussehen und gehen, wie die in der Natur gefundenen, ist unglaublich schwierig.
Enzyme haben komplexe, unregelmäßige Formen, die aus Hunderten von Aminosäuren bestehen. Jeder dieser Bausteine muss perfekt platziert werden oder das Enzym verlangsamt sich oder wird vollständig abgeschaltet. Der Unterschied zwischen einem Speed -Racer und einem Slowpoke -Enzym kann ein Abstand von weniger als der Breite eines einzelnen Atoms sein.
Anfangs konzentrierten sich Wissenschaftler auf Modifizierung der Aminosäuresequenzen vorhandener Enzyme ihre Geschwindigkeit oder Stabilität zu verbessern. Frühe Erfolge mit diesem Ansatz verbesserten in erster Linie die Stabilität von Enzymen und ermöglichten es ihnen, chemische Reaktionen bei einem höheren Temperaturbereich zu katalysieren. Dieser Ansatz war jedoch weniger nützlich, um die Geschwindigkeit von Enzymen zu verbessern. Bis heute ist das Entwerfen neuer Enzyme durch Modifizierung einzelner Aminosäuren im Allgemeinen kein wirksamer Weg, um natürliche Enzyme zu verbessern.
Die Forscher fanden heraus, dass die Verwendung eines Prozesses genannt wird Regie Evolutionin der die Aminosäuresequenz eines Enzyms zufällig verändert wird, bis sie eine gewünschte Funktion ausführen kann, erwies sich als viel fruchtbarer. Beispielsweise haben Studien gezeigt, dass eine gerichtete Evolution die chemische Reaktionsgeschwindigkeit und Thermostabilität verbessern und sogar Enzyme mit Eigenschaften erzeugen kann, die in der Natur nicht zu sehen sind. Dieser Ansatz ist jedoch in der Regel arbeitsintensiv: Sie müssen viele Mutanten überprüfen, um eine zu finden, die das tut, was Sie wollen. In einigen Fällen kann diese Methode, wenn es kein gutes Enzym gibt, überhaupt nicht funktionieren.
Beide Ansätze sind durch ihre Abhängigkeit von natürlichen Enzymen begrenzt. Das heißt, die Einschränkung Ihres Designs auf die Formen natürlicher Proteine begrenzt wahrscheinlich die Arten der Chemie, die Enzyme erleichtern können. Denken Sie daran, Sie können keine Suppe mit einem Messer essen.
KI -Tools helfen den Forschern dabei, neue Proteine zu entwerfen.
Ist es möglich, Enzyme von Grund auf neu zu machen, anstatt das Rezept der Natur zu modifizieren? Ja, mit Computern.
Entwerfen von Enzymen mit Computern
Die ersten Versuche, Enzyme rechnerisch zu entwerfen Enzym -aktive Stellen in natürliche Proteine.
Dieser Ansatz ähnelt dem Versuch, in einem Secondhand -Geschäft einen Anzug zu finden Es ist unwahrscheinlich, dass die feste Struktur (ein Anzug mit zufälligen Messungen) sie perfekt aufnimmt. Die resultierenden Enzyme aus diesen Bemühungen zeigten sich viel langsamer als die in der Natur gefundenen, was eine weitere Optimierung mit der gerichteten Entwicklung erfordern, um Geschwindigkeiten zu erreichen, die bei natürlichen Enzymen üblich sind.
Die jüngsten Fortschritte im Deep Learning haben die Landschaft der Gestaltung von Enzymen mit Computern dramatisch verändert. Enzyme können nun genauso generiert werden wie KI-Modelle wie Chatgpt und Dall-E und Sie müssen keine nativen Proteinstrukturen verwenden, um Ihr aktives Zentrum zu unterstützen.
Unser Team hat das gezeigt, wenn wir ein KI -Modell fordern, rfdiffusion genanntMit der Struktur und der Aminosäuresequenz eines aktiven Zentrums kann es den Rest der Enzymstruktur erzeugen, die sie perfekt unterstützen würde. Dies ist gleichbedeutend damit, Chatgpt zu veranlassen, eine ganze Kurzgeschichte zu schreiben, die auf einer Aufforderung basiert, die nur besagt, dass sie die Linie einbezieht, „und leider sind die Eier nie aufgetaucht“.
Wir haben dieses AI -Modell speziell verwendet, um Enzyme genannt zu generieren Serinhydrolaseneine Gruppe von Proteinen, die potenzielle Anwendungen in der Medizin und im Plastikrecycling haben. Nachdem wir die Enzyme entworfen hatten, mischten wir sie mit ihrem beabsichtigten molekularen Ziel, um festzustellen, ob sie ihren Zusammenbruch katalysieren konnten. Ermutigend waren viele der von uns getesteten Designs in der Lage das Molekül aufbrechenund besser als zuvor entworfene Enzyme für die gleiche Reaktion.
Um zu sehen, wie genau unsere Computerkonstruktionen waren, verwendeten wir eine Methode namens Röntgenkristallographie, um die Formen dieser Enzyme zu bestimmen. Wir fanden heraus, dass viele von ihnen a waren Fast perfekt Match zu dem, was wir digital gestaltet haben.
Unsere Ergebnisse sind einen wichtigen Fortschritt beim Enzymdesign und zeigen, wie KI Wissenschaftlern helfen kann, komplexe Probleme anzugehen. Maschinenlernende Tools könnten mehr Forschern helfen, auf Enzymdesign zuzugreifen und das volle Potenzial von Enzymen zu nutzen, um moderne Probleme zu lösen.
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