Ученые из МФТИ совместно с коллегами из исследовательского центра г. Юлиха изучили природное разнообразие ферментов, превращающих жирные кислоты в углеводородные цепи под воздействием синего света. Исследователи нашли отличительные особенности белков и проследили их наследование между разными родственными организмами. Эти результаты помогут в поиске новых ферментов семейства и дизайне белков для применения в химической промышленности. Результаты опубликованы в журнале Catalysts.
В последние десятилетия повышается популярность исследований ферментов, особенно работающих под воздействием света. Такие вещества значительно ускоряют специфичные химические реакции, не требуя при этом специальных химических условий или большого повышения температуры. Природные катализаторы могут быть применены для получения топлива из биоматериалов в промышленных масштабах, что приведет к увеличению темпов развития биоэкономики и увеличению интереса к возобновляемым источникам энергии на основе биоматериалов.
Природные фотокатализаторы открывают широкие возможности для промышленной органической химии. Сегодня интересным классом ферментов стали недавно открытые фотодекарбоксилазы жирных кислот, которые под воздействием синего света превращают жирные кислоты в длинные углеводороды. Естественная эволюция привела к появлению широкого разнообразия ферментов, однако катализаторы оказались неспособны работать с короткими углеродными цепочками, что могло бы повысить их применимость в промышленности. Такие экспериментальные методы, как направленная эволюция и рациональный дизайн белков, позволяют получать ферменты с заранее заданными свойствами, но на перебор всех возможных вариантов уйдет непозволительно много времени. Помочь может метагеномика — сбор данных о последовательностях без подробного исследования организмов хозяев и их компьютерный анализ. Эта область появилась недавно, но уже сейчас предоставляет большие объемы информации о различных белках.
Рисунок 1. Реакция, катализируемая фотодекарбоксилазой. Изображение предоставлено автором исследования.
Авторы исследования начали со структуры наиболее изученной фотодекарбоксилазы жирных кислот, в которой определили активные участки, отвечающие за ферментативную активность. Из большого семейства, в которое входят фотодекарбоксилазы, по двум критически важным для работы аминокислотам были выделены все интересующие белки. Оказалось, что во всех исследуемых ферментах отсутствует гистидин возле активной области, который имеется во всех остальных белках семейства. Кроме того, практически все они содержат еще две сохраняющиеся аминокислоты в одних и тех же местах последовательности. Некоторые другие аминокислоты в активном центре иногда мутированы, но встречаются все еще часто. Наиболее вариабельными оказались фрагменты, окружающие гидрофобную часть жирной кислоты во время реакции. Возможно, их изменение позволит повысить эффективность работы фермента. Также исследователи построили филогенетическое древо исследованных белков — оно примерно повторило родственные связи между организмами хозяев последовательностей.
Рисунок 2. Филогенетическое древо исследованных фотодекарбоксилаз. Белки образуют несколько кластеров, в некоторых из которых нет представителей известных микроорганизмов. Источник: Catalysts
«Когда мы хотим получить белок с заранее заданными свойствами, мы ищем какой-то похожий в природе и пытаемся его модифицировать. Возможно, естественная эволюция уже сделала все за нас, и нам нужно только отыскать наш белок. После появления метагеномики мы получили возможность извлекать информацию о последовательностях, даже не зная, к каким организмам они относятся. Это позволяет сравнивать значительно больше белков между собой и искать закономерности, которые определяют активность белка. Метагеномика позволяет сильно уменьшить количество экспериментов, необходимых для получения белка с оптимальной активностью и устойчивостью к агрессивным средам. Наша работа направлена как раз на это — мы сравнили последовательности фотодекарбоксилаз жирных кислот, найденных в известных организмах и метагеномных данных, и нашли как сохраняющиеся, так и вариабельные мотивы. Полученные результаты помогут понять, какие аминокислоты можно заменить для повышения эффективности ферментов для применения в промышленном производстве», — рассказывает Иван Гущин, заведующий лабораторией структурного анализа и инжиниринга мембранных систем МФТИ.
Проект выполнен при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ.
