Іван Гущин.
Метагеноміка допомагає в пошуку основи нового біопалива.
Вчені з МФТІ спільно з колегами з Юліхського дослідницького центру (нім. forschungszentrum Jülich GmbH) вивчили природне розмаїття ферментів, що перетворюють жирні кислоти на вуглеводневі ланцюги під впливом синього світла.
Дослідники знайшли відмінні особливості білків і простежили їх спадкування між різними родинними організмами. Ці результати допоможуть у пошуку нових ферментів сімейства і в дизайні білків для застосування в хімічній промисловості.
Результати опубліковані в журналі Catalysts.
В останні десятиліття зростає кількість досліджень ферментів, особливо працюючих під впливом світла. Такі речовини значно прискорюють специфічні хімічні реакції, не вимагаючи при цьому спеціальних хімічних умов або великого підвищення температури. Природні каталізатори можуть бути застосовані для отримання палива з біоматеріалів у промислових масштабах, що може призвести до збільшення темпів розвитку біоекономіки і збільшення інтересу до відновлюваних джерел енергії на основі біоматеріалів.
Природні фотокаталізатори відкривають широкі можливості для промислової органічної хімії. Цікавий нещодавно відкритий клас ферментів - фотодекарбоксилази жирних кислот. Під впливом синього світла вони перетворюють жирні кислоти на довгі вуглеводні.
Природна еволюція призвела до появи широкого розмаїття ферментів, проте відомі нам каталізатори виявилися нездатні працювати з короткими вуглецевими ланцюжками, що могло б підвищити їх застосовність у промисловості.
Такі експериментальні методи, як спрямована еволюція і раціональний дизайн білків, дозволяють отримувати ферменти з заздалегідь заданими властивостями, але на перебір всіх можливих варіантів піде недозволено багато часу. Допомогти може метагеноміка - збір даних про послідовності без докладного дослідження організмів господарів і їх комп'ютерний аналіз. Ця область знань з'явилася недавно, але вже зараз надає великі обсяги інформації про різні білки. Реакція, каталізована фотодекарбоксилазою. Зображення надано автором дослідження.
Автори дослідження почали зі структури найбільш вивченої фотодекарбоксилази жирних кислот, в якій визначили активні ділянки, що відповідають за ферментативну активність. З великого сімейства, в яке входять фотодекарбоксилази, по двох критично важливих для роботи амінокислотах були виділені всі цікаві білки. Виявилося, що у всіх досліджуваних ферментах відсутній гістидин біля активної області, який є у всіх інших білках сімейства. Крім того, практично всі вони містять ще дві амінокислоти, що зберігаються в одних і тих же місцях послідовності. Деякі інші амінокислоти в активному центрі іноді мутовані, але зустрічаються все ще часто. Найбільш варіабельними виявилися фрагменти, що оточують гідрофобну частину жирної кислоти під час реакції. Можливо, їх зміна дозволить підвищити ефективність роботи ферменту. Також дослідники побудували філогенетичне древо досліджених білків - воно приблизно повторило родинні зв'язки між організмами господарів послідовностей. Філогенетичне дерево досліджених фотодекарбоксилаз. Білки утворюють кілька кластерів, у деяких з яких немає представників відомих мікроорганізмів. Джерело: Catalyst.
"Коли ми хочемо отримати білок із заздалегідь заданими властивостями, ми шукаємо якийсь схожий в природі і намагаємося його модифікувати. Можливо, природна еволюція вже зробила все за нас, і нам потрібно тільки відшукати наш білок. Після появи метагеноміки ми отримали можливість отримувати інформацію про послідовності, навіть не знаючи, до яких організмів вони належать. Це дозволяє порівнювати значно більше білків між собою і шукати закономірності, які визначають активність білка. Метагеноміка дозволяє сильно зменшити кількість експериментів, необхідних для отримання білка з оптимальною активністю і стійкістю до агресивних середовищ. Наша робота спрямована якраз на це - ми порівняли послідовності фотодекарбоксилаз жирних кислот, знайдених у відомих організмах і метагеномних даних, і знайшли як такі, що зберігаються, так і варіабельні мотиви. Отримані результати допоможуть зрозуміти, які амінокислоти можна замінити для підвищення ефективності ферментів для застосування в промисловому виробництві ", - розповідає Іван Гущин, завідувач лабораторією структурного аналізу та інжинірингу мембранних систем МФТІ.
