Скорость и селективность, с которой природные ферменты катализируют превращения, завидны. Чтобы каталитически ускорить неестественные реакции, исследователи имитируют ферменты с помощью белковых каркасов, реализованных с помощью компьютерного дизайна белков. Дальнейшая оптимизация достигается за счет повторения дарвиновского цикла: 1) диверсификация за счет мутации, 2) идентификация улучшенных катализаторов и 3) амплификация более эффективных вариантов ферментов. Это позволяет производить дизайнерские ферменты с очень высокой активностью.
Исследователи под руководством Клеменса Майера и Джерарда Ролфеса из Университета Гронингена (Нидерланды) продемонстрировали, что этот тип направленной эволюции также является методом повышения эффективности нового класса дизайнерских ферментов: ферментов, содержащих аминокислоту, не используется природой.
Начиная с белка Lactococcus lactis, бактерии, используемой в производстве молочных продуктов, таких как сыр и пахта, исследователи синтезировали дизайнерский фермент, содержащий аминокислоту с абиотической анилиновой боковой цепью (аминофенилаланин). Как и свободный анилин, эта аминокислота катализирует реакцию альдегидов с гидразинами или гидроксиламинами с образованием гидразонов или оксимов соответственно.
Чтобы увеличить активность фермента, исследователи создали варианты фермента с мутациями в аминокислотах рядом с боковой цепью анилина. Скрининг около 400 мутантов дал двух кандидатов с лучшей активностью, один из которых был подвергнут второму этапу эволюции. Это привело к открытию более полезных мутаций.
Чтобы выявить синергетические эффекты, несколько благоприятных мутаций были объединены для получения дополнительных вариантов. Таким образом, удалось увеличить скорость превращения фермента в 90 раз.
Исследователи подчеркивают, что, как и в случае с естественными ферментами, «это резкое увеличение связано с усилением каталитической активности боковой цепи анилина. Мы намерены использовать этот принцип для включения дополнительных органических катализаторов в качестве боковых цепей в ферменты и использовать направленную эволюцию для преобразования их в высокоэффективные дизайнерские ферменты, которые могут быстро и эффективно проводить синтетически важные реакции, которые в противном случае протекали бы очень медленно."