Группа исследователей под руководством профессора Чхэ Ун Кима из физического факультета Ульского национального института науки и технологий (UNIST) успешно проследила каталитический путь карбоангидразы II (CAII) — фермента, который преобразует углекислый газ (CO₂) в бикарбонат. Работа [опубликована](https://www.nature.com/articles/s41467-025-59645-x) в журнале Nature Communications.
Достижение стало возможным благодаря использованию новой методики
Эта методика позволяет создать молекулярное видео, демонстрирующее каталитический путь CAII. Ожидается, что результаты исследования прольют новый свет на роль молекул воды в [ферментативном катализе](https://phys.org/tags/enzyme+catalysis/), что в конечном итоге будет способствовать разработке новых лекарств и биокатализаторов.
Роль карбоангидразы II
CAII — это белковый катализатор, который играет решающую роль в преобразовании CO₂ в ионы бикарбоната, которые легко растворяются в крови. Активный центр фермента — это место, где происходит преобразование, при этом CO₂ связывается и преобразуется в бикарбонат с поразительной скоростью — более 1 миллиона раз в секунду. Однако промежуточные этапы этой реакции долгое время считались невозможно отследить напрямую из-за их чрезвычайно высокой скорости.
Технология молекулярного видео
Чтобы преодолеть эту проблему, исследовательская группа использовала запатентованную технологию молекулярного видео, чтобы запечатлеть весь процесс реакции — от связывания CO₂ до высвобождения бикарбоната. Анализируя рентгеновскую кристаллическую структуру фермента при различных температурах, команда обнаружила, что перегруппировка и замена молекул воды в активном центре являются ключевыми факторами, определяющими скорость высвобождения продукта.
Процесс включает несколько этапов:
1. Фермент охлаждают до температуры −183 °C.
2. Затем вводят светочувствительный субстрат (3NPA), который при воздействии ультрафиолетового света поставляет CO₂ в активный центр.
3. Команда постепенно повышает температуру до −73 °C, фиксируя структурные изменения на каждом этапе с помощью рентгеновской кристаллографии.
4. Реконструируя эти структурные данные в хронологическом порядке, исследователи создали молекулярное замедленное видео, которое раскрывает сложные детали каталитического процесса фермента.
По словам Джина Кюна Кима, первого автора исследования: «Мы смогли непосредственно наблюдать промежуточное состояние реакции на атомном уровне, которое проявляется только в диапазоне температур от −113 °C до −93 °C. Впервые такая быстрая ферментативная реакция была зафиксирована структурно».
Профессор Ким добавил: «Недавно открытый принцип может быть применён не только в белковой инженерии и [разработке лекарств](https://phys.org/tags/drug+development/), но и в создании биокатализаторов, которые точно управляют молекулами воды».
Предоставлено Ульсan Национальным институтом науки и технологий.