Ферменты выполняют очень специфические функции и требуют очень мало энергии, поэтому биокатализаторы также представляют интерес для химической промышленности. В обзорной статье, опубликованной в журнале Nature Reviews Chemistry, профессор Томас Хаппе и адъюнкт-профессор Аня Хемшемайер из рабочей группы фотобиотехнологии в Рурском университете Бохума представили сводку того, что известно о механизмах действия ферментов в природе. Более того, авторы намечают видение будущего: искусственные биокатализаторы, которые не основаны на белках, как это обычно бывает в природе, а сделаны из ДНК. Статья опубликована 17 августа 2018 года.
«Создание биотехнологической промышленности, работающей на ферментах, имело бы огромное значение как для защиты климата, так и по экономическим причинам», - говорит Томас Хаппе.
Взаимодействия белок-кофактор имеют решающее значение
В природе сложнейшие и энергоемкие реакции часто осуществляются очень сложными белками. Они содержат кофакторы, не состоящие из белков; скорее, они основаны на неорганических веществах, часто на металлах. В своей статье Hemschemeier и Happe подробно останавливаются на важности атомных деталей для взаимодействия белок-кофактор в так называемых металлоферментах.
Химический состав кофактора является ключевым элементом для понимания точного механизма реакции металлофермента. Исследователи манипулировали отдельными атомами кофактора, чтобы расшифровать его значение. «Однако это не всегда простая задача, - говорит Хаппе.«Это потому, что химикам приходится искусственно создавать кофактор, а синтетическая конструкция должна естественным образом взаимодействовать с белковой частью фермента».
Производство полусинтетических ферментов
Несколько лет назад группе под руководством Томаса Хаппе удалось охарактеризовать фермент гидрогеназу, производящий водород. В сотрудничестве с химиками биологи разработали полусинтетический фермент гидрогеназы, в котором они могут заменить каждый атом кофактора. Это позволяет им понять, как именно белок и кофактор работают вместе.
Гидрогеназы могут быть с пользой использованы в промышленности для производства потенциального энергоносителя водорода. Но природные гидрогеназы не очень стабильны, особенно на воздухе. «Поэтому мы задались вопросом, можем ли мы изменить дизайн этих ферментов в сторону более надежных версий», - объясняет Томас Хаппе.
«Литература уже дает множество примеров создания искусственных белков», - уточняет Аня Хемшемайер. «Однако белки часто слишком нестабильны, чтобы соответствовать требованиям отрасли».
Больше стабильности благодаря ДНК
Поэтому биотехнологи из Бохума выбрали новый подход: они намерены заменить белки ДНК, которая гораздо более стабильна.
Исследователи знали с 1980-х годов, что нуклеиновые кислоты способны катализировать химические реакции, и с тех пор это свойство тщательно изучается. «Мы нашли примеры нуклеиновых кислот, обладающих белковоподобными характеристиками, - говорит Хемшемайер. «Например, они образуют точные трехмерные структуры, которые облегчают определенные химические реакции».
В своей обзорной статье Хаппе и Хемшемайер делают вывод: вполне возможно, что в недалеком будущем наша промышленность сможет использовать катализаторы на основе ДНК, которые имитируют такие сложные биокатализаторы, как гидрогеназа.