Una svolta nella progettazione di enzimi su misura

Gli enzimi sono catalizzatori biologici che accelerano le reazioni e le portano a termine con un elevato grado di specificità. Gli enzimi sono solitamente proteine. Nel corso del tempo, l’evoluzione ha prodotto un’ampia varietà di pieghe proteiche per gli enzimi: quando si forma una proteina, viene inizialmente prodotta una lunga catena di aminoacidi, che poi si ripiega in una struttura tridimensionale definita. È proprio questa struttura a determinare il funzionamento dell’enzima. La cosiddetta struttura a «barile TIM» riveste un ruolo di primo piano. È presente in circa il 10 per cento di tutti gli enzimi conosciuti ed è in grado di facilitare quasi tutti i tipi di reazione.

Sebbene i barili TIM artificiali siano già stati progettati al computer e confermati sperimentalmente, queste cosiddette proteine «de novo», a differenza delle loro controparti naturali, non possedevano alcuna attività enzimatica; si limitavano semplicemente a presentare la stessa struttura. Ciò rendeva le proteine inutilizzabili per l’applicazione nelle reazioni biologiche. Un gruppo di ricerca guidato dalla Prof.ssa Dr. Birte Höcker, titolare della cattedra di Biochimica III presso l’Università di Bayreuth, ha affrontato questo problema in collaborazione con il gruppo di ricerca del Prof. Dr. Roberto Chica dell’Università di Ottawa. Utilizzando un nuovo flusso di lavoro denominato CANVAS, i ricercatori hanno trasformato gli scheletri non funzionali in enzimi attivi.

«Nel nostro studio abbiamo combinato vari metodi basati sull’uso del computer. Ciò ci ha permesso di estendere in modo specifico i barili TIM artificiali per includere un sito attivo su misura», afferma il dott. Julian Beck, autore principale dello studio e assistente di ricerca presso il gruppo di ricerca di Biochimica III dell’Università di Bayreuth. Questo sito attivo appena inserito conferisce un’attività misurabile eccezionalmente elevata agli enzimi precedentemente non funzionali.

«Abbiamo scelto l’eliminazione di Kemp come reazione di prova per i nuovi enzimi: una classica reazione non naturale nella progettazione delle proteine, facile da misurare», afferma Höcker. In un unico ciclo di progettazione, i ricercatori hanno ottenuto un’attività eccezionalmente elevata con l’enzima ingegnerizzato KempTIM1: L’efficienza catalitica – che descrive quanto un enzima sia “efficace” – era già sette volte superiore per KempTIM1 rispetto a quella di enzimi comparabili citati in altre pubblicazioni recenti, senza alcuna ulteriore ottimizzazione sperimentale. Successive fasi di ottimizzazione hanno portato a una nuova variante denominata KempTIM4b, che supera addirittura l’attività di KempTIM1.

«Nel complesso, la nostra ricerca dimostra che è possibile utilizzare proteine de novo come punto di partenza per nuovi enzimi, ampliando così il repertorio esistente di enzimi disponibili. Ciò apre nuove possibilità nel campo della biotecnologia e della chimica verde, consentendo la progettazione di nuove proteine su misura per reazioni specifiche», ha affermato Beck.