Forskare designade nytt enzym med hjälp av antarktisk bakterie och datorberäkningar

För första gången har forskare med hjälp av stora datorberäkningar lyckats förutsäga hur man kan ändra ett enzyms temperaturoptimum. Som utgångspunkt användes ett köldanpassat enzym från en antarktisk bakterie. Studien publiceras i tidskriften Science Advances och är ett samarbete mellan forskare vid Uppsala universitet och universitetet i Tromsö.

Den typ av köldanpassade enzymer som forskarna använde för sin studie återfinns till exempel i bakterier och fiskar som lever i iskallt vatten. Evolutionen har format dem för att kunna fungera även vid mycket låga temperaturer där andra enzymer normalt är stendöda. Dessa enzymer har också alltid lägre temperaturoptimum och smältpunkt än enzymer från organismer som lever vid högre temperatur och varmblodiga djur.

Forskarna ställde sig frågan om man med datorsimuleringar av den kemiska reaktion som katalyseras skulle kunna förutsäga ett litet antal mutationer i det antarktiska enzymet som kunde resultera i en höjning av dess temperaturoptimum. Beräkningsresultaten visade att om man sätter in 16 mutationer från motsvarande grisenzym i den bakteriella varianten så skulle detta vara möjligt.

Forskarna tillverkade sedan detta hybridenzym och mätte dess katalytiska aktivitet som funktion av temperaturen och det visade sig mycket riktigt att den nya varianten hade ett 6°C högre optimum än ursprungsvarianten och vara snabbare än både det antarktiska och grisenzymet vid 50°C. De löste också den tredimensionella strukturen av hybridenzymet med röntgenkristallografi och visade att de nödvändiga strukturförändringar som förutspåtts av datorberäkningarna verkligen hade ägt rum.

Datorbaserad enzymdesign har blivit ett stort och hett forskningsområde under senare år. Målet är att skapa enzymer med nya egenskaper och göra att detta med hjälp av datorberäkningar istället för arbetskrävande experiment.

– Det kan till exempel handla om att skapa nya enzymer som katalyserar kemiska reaktioner som inte återfinns i naturen eller att ändra deras egenskaper så de bättre klarar av värme, kyla, högt tryck, ökad salthalt och så vidare. Området är därför föremål för stort bioteknologiskt intresse, säger Johan Åqvist, professor i teoretisk kemi vid Uppsala universitet.

Florian van der Ent et al. (2023) Computational design of the temperature optimum of an enzyme reaction, Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.adi0963

För mer information kontakta Johan Åqvist, institutionen för cell- och molekylärbiologi, Uppsala universitet, tel: 070-4250404, e-post: Johan.Aqvist@icm.uu.se