Исследователи под руководством Института науки Вейцмана представили вычислительный алгоритм, который создаёт ферменты с каталитической эффективностью, превышающей 100 000 М$^{-1}$ с$^{-1}$. Их производительность сравнима с природными биокатализаторами без значительной доработки.
Природные ферменты и искусственные катализаторы
Природные ферменты выполняют каталитические биохимические превращения с исключительной скоростью и точностью, устанавливая эталон, которому искусственные катализаторы не могли соответствовать. Вычислительные стратегии позволили создать белки, способные катализировать реакции, выходящие за рамки репертуара природных ферментов. Однако скорость таких реакций часто на много порядков ниже, чем у биологически эволюционировавших катализаторов.
Полный вычислительный дизайн высокоэффективных ферментов для элиминации Кемпа
В исследовании, опубликованном в Nature, учёные разработали полностью вычислительный подход для создания стабильных активных ферментов с минимальной оптимизацией.
Исследователи сгенерировали тысячи каркасов TIM-бочонков (одна из наиболее распространённых белковых складок среди ферментов) с помощью комбинаторной сборки и дизайна, объединяя фрагменты из гомологичных белков. В этой складке остатки центрального β-цилиндра ориентированы к полости активного центра, что предоставляет множество возможностей для оптимального размещения каталитических групп и групп, связывающих субстрат.
Остатки активного центра были оптимизированы с помощью атомистических расчётов Rosetta, что позволило получить миллионы конструкций, отфильтрованных по объективной функции, балансирующей энергию и десольвацию каталитического основания. Всего было отобрано 73 конструкции для экспериментальной проверки; 66 были растворимо экспрессированы, и 14 продемонстрировали кооперативное поведение при термической денатурации.
Введение 5–8 мутаций в активный центр каждого варианта позволило создать конструкции с повышенной каталитической эффективностью. Один вариант, полученный из Des61 (конструкция 61), достиг kcat/KM 3 600 М$^{-1}$ с$^{-1}$ (мера каталитической эффективности) и скорости оборота 0,85 с$^{-1}$ (реакции в секунду).
Восемь конструкций, основанных на Des27, достигли каталитических скоростей в 10–70 раз выше, чем исходные, причём Des27.7 достигла kcat/KM 12 700 М$^{-1}$ с$^{-1}$ и kcat 2,85 с$^{-1}$. Одноточечная мутация, заменяющая Phe113 на лейцин, повысила каталитическую эффективность до 123 000 М$^{-1}$ с$^{-1}$ и kcat до 30 с$^{-1}$.
Учёные пришли к выводу, что предварительная организация активного центра в сочетании со способностью принимать несколько каталитически компетентных конформаций, связанных с субстратом, отличает эту конструкцию от более ранних примеров. Лучший вариант достиг высокой стабильности (более 85 °C) и каталитической эффективности, сравнимой с природными ферментами.
Результаты подтверждают, что атомистические вычислительные методы уже достаточно надёжны для создания эффективных ферментов в естественных складках без итеративного лабораторного скрининга или использования каркасов, созданных искусственным интеллектом.
Будущие достижения в моделировании теоретических ферментов могут сделать биокатализ полностью программируемым, способным выполнять широкий спектр нереализованных решений: от производства продукции и терапевтического применения до очистки от загрязнений, «зелёной» химии и промышленного молекулярного синтеза в промышленных масштабах.
© 2025 Science X Network