Роль углеводов в жизни
Молекулы, лежащие в основе жизни на Земле, столь же разнообразны, сколь и сложны. Среди них углеводы играют жизненно важную роль, выступая в качестве источников энергии и выполняя структурные функции, например, формируя клеточные стенки.
Один из классов углеводов, β-1,2-глюканы, состоит из цепочек глюкозы и встречается у бактерий. Эти молекулы участвуют в различных важных биологических процессах, таких как бактериальные инфекции и адаптация к окружающей среде. Несмотря на биологическую значимость, β-1,2-глюканы встречаются редко по сравнению с целлюлозой и ламинарином, а их структура сложна, что затрудняет изучение.
Значимое открытие в области белковой науки
В исследовании, опубликованном в журнале Protein Science, учёные из Токийского университета науки (TUS) добились значительного прогресса, идентифицировав и охарактеризовав новые ферменты, расщепляющие молекулы гликанов.
Команда изучала группу неклассифицированных гликозидгидролаз (GH), связанных с известными ферментами, расщепляющими β-1,2-глюканы в семействах GH144 и GH162. С помощью комбинации последовательного, биохимического, структурного и филогенетического анализов команда выявила новые филогенетические группы, проявляющие ферментативную активность в отношении β-1,2-глюканов.
Новые семейства ферментов
Фермент β-1,2-глюканаза (SGL) расщепляет β-1,2-глюкан на β-1,2-глюкоолигосахариды.
Исследование было проведено командой TUS под руководством доцента Масахиро Накадзима при поддержке бывшего докторанта доктора Сэя Мотоучи, а также при участии доцента Хироюки Накаи из Университета Ниигаты и доктора Кайто Кобаяши из Национального института передовой промышленной науки и технологий.
Доктор Накадзима объясняет мотивацию исследования: «Гликаны выполняют множество физиологических функций, но из-за их сложности и трудностей при синтезе изучение их во многих случаях затруднено. Однако практический синтез гликоинов помогает в изучении новых ферментов, разрушающих их, и эти ферменты потенциально могут быть использованы для синтеза гликоинов. Эта взаимосвязь синтеза и деградации способствует обогащению знаний в области ферментов, связанных с углеводами».
Команда считает, что открытие новых разрушающих ферментов может революционизировать разработку и изучение различных углеводных молекул.
Выводы исследования
Команда начала своё исследование с анализа последовательностей, связанных с известными SGL (β-1,2-глюканазами), ферментами, расщепляющими β-1,2-глюканы. Это привело к выявлению четырёх ранее не охарактеризованных потенциальных семейств гликозидгидролаз (GH). Из них три были обнаружены для расщепления β-1,2-глюканов как SGL, что стало значительным прорывом.
Эти ферменты показали лишь 16–20% сходства последовательностей аминокислот друг с другом, но имели общие структурные особенности, такие как (α/α)6-баррель, который также встречается у ферментов GH144 и GH162. Кроме того, все они использовали общий механизм реакции инверсии аномера для расщепления молекул β-1,2-глюкана.
На основе этих выводов исследователи предложили новую группу ферментов, названную «кланом SGL», в которую входят GH144, GH162 и три новых семейства GH, которые они назвали GH192, GH193 и GH194. Хотя семейство GH189 обладает механизмом сохранения аномера, в отличие от других семейств, оно было включено в клан SGL.
Примечательно, что исследование показало, что нерегулярное распределение нескольких моделей механизмов реакции определяется положениями каталитических остатков в клане SGL с филогенетической точки зрения.
Ещё одним важным выводом является то, что, хотя ферменты выполняют схожие функции, они имеют только три консервативных остатка (E239, Y367 и F286), что позволяет предположить, что эти три остатка являются определяющими для клана SGL. Эти два фактора также указывают на уникальный путь молекулярной эволюции.
Перспективы исследования
Открыв новые семейства ферментов и выявив их уникальную молекулярную эволюцию в клане SGL, это исследование значительно продвигает наше понимание метаболизма углеводов и может привести к применению в медицине, сельском хозяйстве или производстве биотоплива.
«Выявление этого клана демонстрирует обширное разнообразие углевод-активных ферментов. Если механизм реакции удастся выяснить, можно будет использовать его для модификации функции ферментов, преобразуя разрушительные ферменты в синтетические для синтеза новых олигосахаридов», — заключает доктор Накадзима.
Это исследование демонстрирует потенциал открытия ферментов, участвующих в расщеплении углеводов, с особым акцентом на их структуре, молекулярной эволюции и распределении.
Предоставлено Токийским университетом науки.