שיטה חדשנית לשיפור פעילות אנזימים

כימאים ממכון מקס פלאנק בגרמניה פיתחו שיטה חדשנית לשיפור פעילותם של אנזימים השימושיים בתעשייה

כימאים ממכון מקס פלאנק בגרמניה פיתחו שיטה חדשנית לשיפור פעילותם של אנזימים השימושיים בתעשייה.

החוקרים המירו שתי חומצות אמינו המצויות הרחק מהאתר הקטליטי הפעיל, האזור שבו מתרחשת הלכה למעשה התגובה הכימית. המרה זו משנה את המבנה הכללי של האנזים ומאפשרת לו לפעול כעת על מגוון רחב יותר של תרכובות כימיות שונות. בנוסף, היא מובילה לקבלת אננטיומר אחד מסוים בעודף על האחר מתוך תערובת רצמית שלהם.

למרות שמבחינה כימית האננטיומרים זהים, הם בכל זאת שונים מבחינת המבנה שלהם, בדומה להבדל שבין יד ימין ליד שמאל. בדר"כ, רק אחת משתי הצורות הללו תתאים לשימוש רפואי כחומר פעיל. באמצעות המחקר שלהם, המדענים הצליחו להתוות דרך לגישה חדישה שתאפשר לשנות אנזימים כך שיתאימו יותר לתעשיות הכימית והרוקחית. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Proceedings of the National Academy of Sciences.

אנזימים פועלים בצורה מהימנה, אך הם בררניים ביותר. הם משנים פרודות המצויות בטבע לצורות המתאימות לפעילות התא החי. אולם, הם בדר"כ פועלים רק על תרכובת כימית מסוג אחד – בדומה למוסך המתמחה רק בתיקון סוג מסוים של רכב. עובדה זו חשובה ביותר בביולוגיה, מכיוון ששינויים כימיים, אפילו מזעריים, עלולים לפגוע במנגנון פעילותן של ביו-תרכובות. תעשיות הכימיה והרוקחות משתמשות בזרזים, כגון אנזימים, בכדי לשנות גם פרודות שאינן קיימות בטבע. האנזימים התעשייתיים הללו הם לרוב אננטיומרים, שתי תרכובות שונות הנראות כאילו היו זהות. הכימאים מתמודדים עתה עם האתגר של מציאת זרזים שיאפשרו קבלה של אננטיומר יחיד בלבד, כלומר שיהיו אננטיו-בררניים.

לעיתים, ניתן לתמרן את האנזימים כך שיאפשרו קבלה של חומרי-ביניים אננטיומרים המתאימים ליצור של תרופות מסוימות. בדר"כ, תהליך שכזה נכשל מאחר והאנזימים אינם מסוגלים להכיר ולפעול על שני סוגי האננטיומרים, אלא רק על אחד מהם בלבד.

החוקרים הכינו כעת אנזים המסוגל להמיר מגוון פרודות באופן אננטיו-בררני בסיוע של אבולוציה מוכוונת. "מה שאנו עושים כאן זה בעצם ביצוע אבולוציה במבחנה," אומר החוקר הראשי.

לפיכך, הכימאים מייצרים גרסאות שונות של אנזימים ע"י שינוי הדרגתי של המבנה שלהם באמצעות גרימת מוטציות אקראיות. קודם למחקר זה, הם כבר שינו מבנית אנזימים באמצעות גרימת מוטציות אקראיות באתר הפעיל שלהם, בו מתרחשת התגובה. עתה, הם פיתחו גישה שונה משמעותית: האנזים עובר שינוי באתר שאינו מעורב בתגובה הכימית עצמה. "אימצנו כאן גישה חדשה של אבולוציה מוכוונת ושילבנו תכנון מושכל יחד עם יצירת מוטציות," מסביר החוקר הראשי.

צוות המחקר החל את עבודתו באנזים הטבעי Baeyer-Villiger monooxygenase. אנזים זה מחמצן פרודת מטרה, ליתר דיוק קבוצה כימית בשם קטון (ketone), ומחדיר אטום חמצן בנקודה מוגדרת ביותר. תוצר תהליך זה הינו לקטון (lactone). לקטונים שהתקבלו בתהליך אננטיו-בררני הינם חומרי-ביניים חשובים בתעשיות הכימית והרוקחית.

הצורה הטבעית של אנזים מאפשרת לו לעיתים לפעול באורח בלתי-בררני, כלומר, הוא אינו מסוגל להבחין בין אננטיומרים שונים והם עוברים את התגובה באתר הפעיל באותה המהירות. המצב הוא אפילו יותר קריטי כאשר הפרודה הסינתטית לא עוברת כלל תגובה מכיוון שהיא אינה מתאימה למבנה האתר הפעיל. "בכדי להרחיב את נישת הקישור של האנזים לפרודות סינתטיות, התחלנו לבחון נקודות במודל מבני של האנזים שבהן שינויים יגרמו לעיצובה מחדש של נישה זו – למרות שהן ממוקמות רחוק יחסית ממנה," מסביר אחד מהחוקרים.

הם חשדו שהאתר שבו החלפת חומצת האמינו תביא לתוצאה הרצויה נמצא בעמדות 93 ו- 94 ברצף חומצות האמינו של האנזים. בהתבסס על שיקולים תיאורטיים הכימאים הגיעו למסקנה כי מוטציות מתאימות תוכלנה להוביל לארגון-מחדש מבני שבו שני מתחמים ינועו אחד לעבר השני: "הסברה שלנו הייתה כי נישת הקישור תתרחב באם נקרב את שני המתחמים הללו," מסביר החוקר. החוקרים הצליחו בכך באמצעות התמרה בו-זמנית של שתי חומצות האמינו בחומרים חדשים ע"י גרימת מוטציות אקראיות. הנישה אכן התרחבה כאשר הם החליפו אספרגין במקום הגלוטמין שמוקם בעמדה 93 וחומצה אספרטית במקום פרולין שמוקמה בעמדה 94.

במצב זה האנזים פעל על סדרות שלמות של חומרים אחרים תוך פעילות ובררנות אננטיומרית גבוהות במיוחד. החוקרים הצליחו להתגבר על מגבלה ידועה בפעילות כימית של אנזימים – בעוד שנישת קישור רחבה יותר מתאימה למגוון רחב יותר של חומרים עליהם מסוגל האנזים לפעול, בדר"כ הדבר גורר אחריו גם ירודה בבררנות הכללית של התגובה הכימית. במקרה הנ"ל – החוקרים לא צפו בתופעה כזו. מה שהרבה יותר חשוב לחוקרים הייתה העובדה שהגישה הבסיסית שלהם עובדת: כלומר, הם מסוגלים לעצב מחדש את האתר הפעיל באמצעות שינוי מבני שמתקבל ע"י גרימת מוטציות רחוקה.

ביוכימאים כבר מכירים את מה שמכונה השפעה אלוסטרית (allosteric) – תופעה זו מתרחשת כשפרודה מסוימת נקשרת לאנזים או לחלבון, דבר שבעקבותיו משתנה נטייתה להיקשר למצע (במקרה של אנזים) או לליגנד (במקרה של חלבון). אולם, השפעות אלו נגרמות בשל פרודות קטנות הנקשרות לאנזים במיקום רחוק מהאתר הפעיל. "ע"י שימוש בשיטות גנטיות הצלחנו ליצור השפעה אלוסטרית מוכוונת באנזים שהיא לא ממש אלוסטרית," מסביר החוקר הראשי. האנזימים שעברו שינוי מבני מיוצרים ע"י חיידק מהונדס. החוקרים החדירו מפות גנטיות ליצירת תולדות שונות של האנזים המקורי לתוככי מיקרו-אורגניזמים חד-תאיים. במפות אלו, החוקרים החליפו את החומצות האמינו המתאימות בנקודה אחת או יותר ברצף. במקרה הזה, החוקרים השתמשו רק בתריסר חומצות אמינו ולא בכל העשרים הטבעיות הקיימות. לאנזים המסוים שלהם יכולות להיווצר 144 תולדות שבהן מוחלפות שתי חומצות האמינו בעמדות 93 ו- 94.

"באמצעות שילוב של תכנון מושכל וגרימת מוטציות אקראיות, אנו מסוגלים לזרז משמעותית את הפיתוח של אנזימים אננטיו-בררניים ויציבים ואת יישומם המעשי בתעשייה," מסביר החוקר הראשי.

הידיעה ממכון המחקר