Un enzima artificiale raggiunge 700 reazioni al secondo

Il gruppo di Donald Hilvert del Laboratorio di chimica organica (LOC) all'ETH di Zurigo, in collaborazione con scienziati del California Institute of Technology (Caltech), ha prodotto l'enzima artificiale più efficiente mai realizzato finora. Come riferiscono i ricercatori nella loro recente pubblicazione su "Nature", l'enzima appena creato è in grado di convertire 700 molecole di substrato al secondo. Rispetto alla natura, il risultato è eccezionale: la triosifosfato isomerasi, un enzima naturale particolarmente veloce, può convertire 430 molecole nello stesso tempo.

Progettazione informatica ed "evoluzione diretta"

Il materiale di partenza per il nuovo enzima creato era una xilanasi, un enzima che scompone naturalmente gli zuccheri. La sua forma assomiglia a un barile aperto in alto e in basso. I ricercatori hanno modificato il suo funzionamento interno in modo che l'enzima svolga ora una reazione completamente diversa. "Come una fabbrica che si ferma e viene convertita per produrre un prodotto completamente diverso", spiega Rebecca Blomberg, prima autrice dello studio e alumna dottoranda del LOC.

La base per la modifica dell'enzima è stata fornita dai ricercatori del Caltech: hanno progettato al computer un prototipo di enzima che padroneggia la "eliminazione di Kemp", un modello di reazione in cui una molecola di substrato viene modificata dalla rimozione di un protone. L'enzima artificiale prodotto con l'aiuto di batteri secondo il modello degli scienziati del Caltech ha funzionato subito, ma ha processato solo una singola molecola di substrato al secondo.

Gli scienziati dell'ETH hanno quindi sottoposto il prototipo dell'enzima a una cosiddetta "evoluzione diretta" in laboratorio, con l'obiettivo di aumentarne il rendimento. In 17 prove, lo hanno modificato in modo casuale e specifico, ne hanno testato l'efficienza, hanno selezionato i migliori candidati in ogni prova e li hanno ulteriormente migliorati nella prova successiva. "In linea di principio, funziona in modo simile all'allevamento dei cani", spiega Hajo Kries, dottorando presso il LOC e coautore dello studio.

Efficienza grazie alla struttura ottimizzata

Tuttavia, i ricercatori non sono stati in grado di dimostrare solo che è possibile produrre un enzima artificiale così efficiente utilizzando una combinazione di progettazione al computer ed evoluzione artificiale in laboratorio. In collaborazione con i ricercatori dell'Istituto di biochimica dell'Università di Zurigo, hanno anche determinato la sua struttura esatta. Ciò consente di spiegare in dettaglio perché l'enzima appena creato svolge il suo compito con tanto successo.

Il fattore decisivo è apparentemente che il centro attivo dell'enzima, dove il substrato viene elaborato, si adatta alla molecola del substrato "come un guanto sulla mano". Può occupare una sola posizione al suo interno. In questa posizione, è allineato in modo ottimale sia in termini di angolo che di distanza dal gruppo catalitico, cioè dalla catena laterale dell'enzima che effettua la trasformazione sulla molecola di substrato. Inoltre, un ulteriore gruppo catalitico inserito dai ricercatori supporta la reazione. Inoltre, ha l'orientamento giusto verso il substrato.

Produrre qualsiasi enzima

"Il sogno ora è quello di poter produrre in futuro enzimi per qualsiasi reazione utilizzando lo stesso principio", afferma Blomberg. In particolare quelli che potrebbero essere utilizzati in medicina e nell'industria, naturalmente.
Kries guarda un po' più in là nel futuro: "Se potessimo insegnare al computer ciò che abbiamo imparato durante l'evoluzione in laboratorio, un giorno potrebbe essere possibile sviluppare enzimi con un'efficienza così elevata direttamente sul computer", riducendo il tempo di sviluppo da diversi anni a pochi mesi.