Objavljeno: 20.07.2018. 11:57

'Računalna priča dvaju enzima' - istraživanje znanstvenika IRB-a objavljeno u uglednom časopisu JACS

Rezultati u radu opisuju mehanizam djelovanja dvaju različitih enzima, nastala na odvojenim granama evolucije, te postavljaju ključne temelje za buduća istraživanja u potrazi za procesima koji bi bili ekološki prihvatljiviji i omogućili kvalitetnije recikliranje i upotrebu glicerola.

Računalni kemičari Instituta Ruđer Bošković (IRB) u suradnji s kanadskim i australskim kolegama Gregom Sandalom i Leom Radomom, objavili su rad u jednom od najistaknutijih svjetskih časopisa u području kemije - Journal of the American Chemical Society (IF 14.357).

'Računalna priča dvaju enzima' - istraživanje znanstvenika IRB-a objavljeno u uglednom časopisu JACS

Riječ je o radu zanimljivog naslova ''Računalna priča dvaju enzima: dehidrataza glicerola s ili bez vitamina B12“ čiji su autori Ruđerovci dr. sc. Borislav Kovačević, dr. sc. Danijela Barić, dr. sc. Darko Babić, Luka Bilić, Marko Hanževački i dr. sc. David Smith, a koji u radu objašnjavaju dva različita mehanizma jedne biološki važne reakcije koja bakterijama omogućava dobivanje energije iz alkohola glicerola.

Ekološki doprinos istraživanja

Rezultati istraživanja prikazani u radu značajni su i s ekološkog gledišta. Naime, glicerol se danas uglavnom smatra otpadnom sirovinom koja nastaje pri proizvodnji biodizela i pri raspadanju biomase. Kako bi bio koristan za industriju glicerol se prevodi u aldehid (3-hidroksipropanal) raznim kemijskim postupcima koji stvaraju štetne nusprodukte.

''Činjenica da je u ovom radu razjašnjen način kako dvije evolucijski daleke klase enzima kataliziraju pretvorbu glicerola u 3-hidroksipropanal, metabolit i korisnu sirovinu za industriju, postavlja ključne temelje za buduća istraživanja u potrazi za novim katalizatorima i biološki inspiriranim procesima koji bi bili ekološki prihvatljiviji i omogućili kvalitetnije recikliranje i upotrebu glicerola.'' – objašnjava Luka Bilić, doktorand u Grupi za računalne bioznanosti, jedan od autora.

U studiji znanstvenici su proučavali pretvorbu glicerola u odgovarajući aldehid, koja se u bakterijama može odvijati uz pomoć dva različita enzima. Kod oba enzima tijekom katalize stvaraju se slobodni radikali, ali jedan se aktivira uz pomoć vitamina B12 (B12-ovisna glicerol dehidrataza), a drugi, B12-neovisni enzim, reakciju započinje uz pomoć radikala koji sadrži sumpor.

Pretpostavlja se da je B12-neovisna dehidrataza evolucijski starija i da datira još iz doba kada je u atmosferi bilo vrlo malo kisika. Na prvi pogled ta dva nesrodna enzima bitno su različita, ali uvidom u aktivno mjesto, pozornicu na kojoj se odvija kemijska transformacija supstrata glicerola, počinje se nazirati sličnost. S obzirom na uočenu sličnost, nameće se pitanje: odvija li se ova reakcija u oba enzima na jednak način?

JACS1-vijest

Računalne metode rekonstruiraju cjelovite kemijske promjene na potpuno novi način

Kemijski radikali su vrlo reaktivne i kratkoživuće vrste. Stoga je istraživanje radikalskih reakcija eksperimentalnim tehnikama vrlo zahtjevno i često nepotpuno, a ključni detalji kemijske promjene ostaju djelomično u domeni nagađanja i mašte. S druge strane, računalnim metodama moguće je simulirati dinamičku prirodu enzima, ali i detaljno opisati sve stupnjeve kemijske reakcije koji bi inače ostali nepoznati, a uključivanjem dostupnih eksperimentalnih rezultata moguća je rekonstrukcija cjelovite kemijske promjene u novom i potpunom svjetlu.

Koristeći hibridnu računalnu metodu koja kombinira kvantno-mehanički i molekulsko-mehanički pristup, tzv. QM/MM metodu, u ovom radu su detaljno opisani načini kako se odvija pretvorba glicerola u svakom od spomenutih enzima. Aktivno mjesto u kojem se događa kemijska reakcija opisano je uz pomoć QM pristupa, a udaljeniji dijelovi enzima molekulskom mehanikom. Ovako složena metodologija potrebna je za dobar opis kompliciranih biokemijskih reakcija jer uspješno reproducira kemijski okoliš u kojemu se zbiva proučavana promjena.

Pokazano je da reakcijski put u B12-ovisnoj dehidratazi uključuje nekoliko koraka: glicerol prelazi u radikalski međuprodukt, nakon kojeg slijedi pregradnja toga radikala tako da je moguć nastanak aldehidnog radikala praćen izlaskom vode. Kod B12-neovisne dehidrataze pregradnja nije potrebna i eliminacija vode ide direktno s glicerilnog radikala.

Opisana razlika je posljedica neznatno različite kemijske okoline u samom središtu enzima, gdje se analogne aminokiseline važne za katalizu razlikuju tek po protonacijskom stanju. Naime, kada bi kemijski okoliš u aktivnom mjestu B12-ovisne dehidrataze bio takav da omogući direktni izlazak vode iz glicerola, kao što je to slučaj u B12-neovisnoj glicerol dehidratazi, došlo bi do potpune blokade enzima jer bi nastao vrlo stabilan međuprodukt nesposoban za nastavak reakcije. To pokazuje kako se u biološkim procesima često radi o vrlo delikatnoj ravnoteži između produktivne reakcije i katastrofe.

Rezultati studije potvrđeni su i eksperimentom

''Uzbudljiva slučajnost je da je u članku objavljenom u najnovijem broju časopisa Biochemistry (2018, 57 (23), 3222–3226) prikazano eksperimentalno istraživanje napravljeno u laboratoriju dr. Emily Balskus sa Sveučilišta u Harvardu, u kojemu autori, koristeći tehniku izotopnog obilježavanja, proučavaju dehidrataciju diola kataliziranu s dva različita enzima: B12-ovisnom i B12-neovisnom dioldehidratazom. Njihovi rezultati nedvojbeno potvrđuju naše računalno predviđanje.'' - objašnjava dr. sc. Borislav Kovačević, voditelj Grupe za računalne bioznanosti.

Istraživanje je rađeno u sklopu projekta Hrvatske zaklade za znanost 'Računalna rješenja u bioznanostima: Značaj savitljivosti molekula' (CompSoLS-MolFlex, IP-11-2013-8238).

Ova stranica koristi kolačiće

Neki od tih kolačića nužni su za ispravno funkcioniranje stranice, dok se drugi koriste za praćenje korištenja stranice radi poboljšanja korisničkog iskustva.

Za više informacija pogledajte naše uvjete korištenja.

  • Kolačići koji su nužni za ispravno funkcioniranje stranice. Moguće ih je onemogućiti u postavkama preglednika.