Każde białko w twoim ciele składa się z tych samych 20 bloków budulcowych zwanych aminokwasami. Ale tylko dlatego, że natura utknęła z ograniczonym zestawem narzędzi, nie oznacza, że ludzie nie mogą go rozszerzyć.
Badanie opublikowane w Science 27 lipca przez zespół, w tym chemików Pitta, opisuje nowy, potężny sposób tworzenia „nienaturalnych” aminokwasów, który może znaleźć zastosowanie w terapiach opartych na białkach i otworzyć nowe gałęzie chemii organicznej.
„To zupełnie nowa transformacja: nowa dla natury i nowa dla chemii” – powiedział Peng Liu, profesor chemii w Kenneth P. Dietrich School of Arts and Sciences i autor korespondent w artykule. „Mówienie enzymowi, aby stworzył nienaturalną konfigurację aminokwasu, jest niezwykłe i trzeba to zrobić ze staranną bioinżynierią”.
Zmień tylko jeden kawałek większego białka, a możesz zmienić jego kształt i działanie – tak więc nienaturalne aminokwasy obiecują otwarcie nowych rodzajów terapii, takich jak antybiotyki lub leki immunosupresyjne, które wykorzystują białka lub ich mniejszych kuzynów.
Tworzenie takich cząsteczek w laboratorium jest jednak uciążliwym, wieloetapowym procesem: fragmenty aminokwasu, które łączą się ze sobą, tworząc łańcuch białkowy, muszą być chronione, ponieważ naukowcy chemicznie przekształcają resztę cząsteczki. Reakcja opisana w nowym artykule jest jednak prostsza i bardziej wydajna oraz oferuje chemikom niespotykany dotąd poziom kontroli nad orientacją grup atomów w powstałej cząsteczce.
Wykorzystuje również narzędzie chemiczne, enzym PLP, w niezwykły sposób. Enzymy to białka, które katalizują reakcje – zwykle nawet jeśli ich funkcje są zmieniane przez bioinżynierię, wszystko, co mogą zrobić, to przyspieszyć znane procesy chemiczne, które chemicy mogliby osiągnąć innymi, choć wolniejszymi sposobami. Ale w połączeniu z światłoczułym katalizatorem molekularnym enzym w tej nowej reakcji może osiągnąć znacznie więcej.
„Można argumentować, że bioinżynieryjne enzymy zapewniają lepszą wydajność niż katalizatory małocząsteczkowe, ale katalizują tę samą reakcję” – powiedział Liu. „Ale to jest zupełnie nowa reakcja. Wcześniej po prostu nie istniała”.
Grupa Liu wykorzystuje symulacje komputerowe, aby zrozumieć zawiły taniec zachodzący w reakcji chemicznej na poziomie atomów i elektronów, dodając „dlaczego” do „co” odkrytego przez grupy prowadzące eksperymenty. W tym artykule, doktor habilitowany Liu i Pitta, Binh Khanh Mai (na zdjęciu po lewej), współpracowali z zespołem naukowców z UC Santa Barbara kierowanym przez Yang Yang – współpraca, która rozwija się od 2014 roku, kiedy Yang spędził lato w laboratorium Liu jako odwiedzający doktorant.
Liu i Mai zagłębili się w dane dostarczone przez grupę Yang, aby zrozumieć, jak i dlaczego reakcja miała miejsce, zastanawiając się nad etapami pośrednimi, które są niewidoczne dla chemików. W jednym kroku duet przyjrzał się szczególnie uważnie, elektron musi pokonać niezwykle dużą odległość na swojej drodze między dwiema cząsteczkami. „Musieliśmy przeprowadzić dokładne modelowanie prawdopodobieństwa tego, ponieważ jest to krok nowy w naturze i obsługuje cały mechanizm reakcji” – powiedział Liu.
Podstawą tych modeli jest ogromna moc obliczeniowa. Liu cytuje Pitt’s Center for Research Computing jako kluczowy składnik sukcesu laboratorium, ponieważ złożone symulacje, które grupa przeprowadza w celu zrozumienia zawiłości reakcji chemicznych, wymagają czasu z najnowocześniejszymi, potężnymi superkomputerami.
Mimo to wciąż istnieją pytania bez odpowiedzi, a niniejszy artykuł jest dopiero pierwszym krokiem w serii współpracy między dwoma zespołami. Jeśli lepiej zrozumieją, dlaczego zachodzi ta niezwykła reakcja, grupa Liu może otworzyć możliwość wykorzystania jej w różnych kontekstach do stworzenia szerokiej gamy nowych narzędzi chemicznych, leków i nie tylko.
„Możesz pomyśleć, ile różnych rodzajów nienaturalnych aminokwasów możesz wytworzyć – jest ich prawie nieograniczona liczba” – powiedział Liu. „Czy możemy więc wykorzystać tę wiedzę do opracowania innych nowych reakcji?”