Исчисление искусственного фермента

24 марта 2008, 00:00

Команда американских ученых из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) и Университета штата Вашингтон осуществила важнейший прорыв в области вычислительной химии и белковой инженерии, создав искусственные (не имеющие аналогов в живой природе) ферменты.

Исследовательский коллектив, возглавляемый профессором химии UCLA Кендаллом Хоуком и биохимиком Университета штата Вашингтон Дэвидом Бейкером, представил предварительные результаты своей трехлетней работы 19 марта в онлайн-публикации в журнале Nature. Как отметил профессор Хоук, «главная цель наших исследований — разработка вычислительных методов для эффективного дизайна различных комбинаций молекул и атомов внутри белков, способствующих осуществлению любых химических реакций, и прежде всего тех, которые не могут быть катализированы природными ферментами. Ферменты — мощнейшие катализаторы, и мы рассчитываем в максимальной мере использовать этот их каталитический потенциал».

К настоящему времени путем сложного комбинирования химических, математических и физических методов Хоуку, Бейкеру и их коллегам удалось искусственно сконструировать два различных типа ферментов. Первый тип — фермент, катализирующий так называемую обратную альдольную реакцию (альдоль — сложное органическое соединение), в ходе которой происходит разрыв углеродно-углеродных связей. Базовая альдольная реакция является важнейшим химическим процессом в живых организмах, способствующим синтезу углеводов, а также широко используется в промышленном производстве различных химических соединений и в фармацевтике. Что же касается обратной альдольной реакции, обнаружение химических механизмов, обеспечивающих быстрый и эффективный разрыв углеродных связей, в идеале может привести к значительному прогрессу технологий очистки органических отходов и создания возобновляемых источников энергии.

Второй тип искусственных ферментов, созданных американскими специалистами, — ферменты, катализирующие специфическую реакцию, известную в науке под названием «элиминация Кемпа»: не встречающийся в природе процесс химической трансформации, в ходе которой происходит протонный перенос в атомах углерода. Активация этого протонного переноса в обычных условиях крайне затруднена из-за высоких энергетических барьеров, но группе Хоука–Бейкера удалось в результате длительных экспериментов сконструировать ферменты-прототипы, способные инициировать эту трансформацию.

Группа Хоука, состоящая из 30 химиков-компьютерщиков, активно задействовала в своей работе математический аппарат квантовой механики. В частности, были использованы мощнейшие суперкомпьютеры для детального моделирования так называемых активных центров ферментации и дизайна последовательности аминокислот, концентрирующихся в этих активных центрах.

Впрочем, по признанию самих американских исследователей, пока все эти искусственные ферменты, созданные при помощи компьютерного моделирования, по части обеспечения скорости протекания реакций значительно отстают от природных аналогов: по словам коллеги Хоука Джейсона Де Ченси, «было бы наивным рассчитывать на то, что сконструированные нами за недели или, в лучшем случае, месяцы прототипы смогут сразу же конкурировать с продуктами миллиардов лет естественной эволюции на Земле. Тем не менее мы надеемся на то, что путем постепенного совершенствования наших технологий этот большой разрыв между эффективностью искусственных и природных ферментов будет преодолен».