Los científicos de diseño ingeniero que controlan la actividad de la enzima

Nuevo enfoque altera la especificidad enzimática mediante el uso de monocuerpos

Universidad de Chicago Medical Center

IMAGEN: Este es un dibujo esquemático de cómo un monocuerpo (amarillo) evita que la enzima beta-galactosidasa de la producción a largo chains.view más azúcar

Crédito: Shohei Koide

Los científicos de la Universidad de Chicago han desarrollado un nuevo método para controlar la actividad de las enzimas mediante el uso de proteínas sintéticas, similares a anticuerpos conocidos como monocuerpos. Un equipo dirigido por Shohei Koide, PhD, profesor de Bioquímica y Biofísica Molecular, fue capaz de cambiar la especificidad de una enzima, ampliamente utilizado en la industria alimentaria, sin alterar la propia enzima – el establecimiento de una nueva ruta para la ingeniería de enzimas y la demostración de la versatilidad de estas proteínas sintéticas. Los hallazgos, detallados en línea enNature química Biologyon el 31 de de agosto de 2015, tiene amplias implicaciones para una amplia gama de aplicaciones industriales, científicas y médicas en las que se utilizan enzimas.

“Esta es la primera vez que las moléculas sintéticas accesorios han sido diseñados para cambiar la especificidad de una enzima con el fin de lograr un producto final deseado,” dijo Koide, quien también se desempeña como Director Científico del Consorcio Biomédica Chicago. “En el presente trabajo, hemos demostrado su eficacia en azúcares, pero uno puede imaginar aplicaciones de este concepto con las enzimas que actúan sobre otros tipos de moléculas tales como lípidos y péptidos – hay literalmente cientos de enzimas que se utilizan actualmente en la industria y millones que son potencialmente útiles “.

Las enzimas son proteínas que impulsan las reacciones químicas y permiten a los procesos biológicos complejos. Actúan mediante el reconocimiento y unión a moléculas diana específicas, denominados sustratos. Algunas enzimas combinan sustratos en una nueva molécula, tales como los que sintetizar cadenas de ADN a partir de ácidos nucleicos. Otros sustratos se separan en múltiples productos, tales como los que descomponen el almidón en azúcares. Las enzimas se utilizan en una amplia gama de aplicaciones comerciales, tales como la preparación de alimentos, suplementos dietéticos, productos terapéuticos y materiales químicos.

Un objetivo importante de la biotecnología es modificar la actividad enzimática con el fin de llevar a cabo reacciones a medida. Los métodos actuales utilizan la ingeniería genética para mutar físicamente enzimas. Sin embargo, esto es difícil de lograr y requiere un conocimiento detallado de la estructura de la enzima y dinámica funcional, que puede ser costoso, lento y poco eficiente.

Koide y sus colegas se acercaron a este problema mediante el aprovechamiento de su larga experiencia en el diseño de monocuerpos – proteínas compactos que funcionan como anticuerpos sintéticos. Al igual que los anticuerpos, monocuerpos reconocen y se unen a proteínas diana específicas, que sirve como un marcador o función que afecta. Junto con su pequeño tamaño (alrededor de 15 veces más pequeño que un anticuerpo) y simple estructura, monocuerpos se pueden diseñar para unirse con la precisión de punta a las posiciones deseadas dentro de una molécula diana tal como una enzima.

Los investigadores se centraron en beta-galactosidasa, una enzima ampliamente utilizado en la industria alimentaria. Uno de sus usos principales es la producción de cadenas de azúcar cortos que pueden servir como prebióticos beneficiosos. Esta enzima construye cadenas de moléculas de azúcar mediante la adición de unidades de azúcar individuales para las cadenas existentes. Sin embargo, sus productos son de longitud variable, lo que lleva cantidades bajas de las cadenas de azúcar corto deseados.

El equipo puso a diseñar un monocuerpo que causa que la enzima sólo actúan en pequeñas cadenas de azúcar. A partir de un pool de alrededor de 10 mil millones monocuerpos únicas, usaron técnicas de evolución dirigida para identificar un grupo de monocuerpos que unían cerca del sitio activo de la beta-galactosidasa. Después de varias rondas de experimentos de selección extenuantes, que fueron capaces de diseñar un monocuerpo que alteró precisamente la actividad de beta-galactosidasa de la manera que querían, a pesar de tener sólo un conocimiento limitado de cómo la enzima lleva a cabo la reacción.

El MonoBody bloquea parcialmente el sitio activo de la enzima y evita que aceptar grandes azúcares como sustrato – forzando de este modo para producir cadenas de azúcar solamente cortos.

“Hemos sido capaces de diseñar uno monocuerpo que previene la beta-galactosidasa del uso de ciertos tipos de azúcar como materia prima y producir sólo pequeñas oligosacáridos, por lo que es un catalizador mucho más valioso para su uso en la industria”, dijo Koide. “Nuestros colaboradores generaron más de 1.000 mutantes de esta enzima en los intentos anteriores para lograr el mismo objetivo y ninguno de ellos hicieron lo que este monocuerpo logra. Estamos muy satisfechos con el resultado “.

Monocuerpos son relativamente económico de producir en grandes cantidades, y ya están en uso como una plataforma para otras aplicaciones de las empresas de biotecnología. El equipo está ahora investigando otras enzimas que podrían beneficiarse de la tecnología monocuerpo, y está trabajando con un socio de la industria para desarrollar monocuerpo modificado con beta-galactosidasa para uso comercial.

“Por ahora, esta tecnología es muy útil cuando la restricción del material de partida que se utilizan enzimas de mayor a menor,” dijo Koide. “Hay muchos casos en los que a uno le gustaría producir productos de menor capacidad, y muchas posibilidades más interesantes que estamos emocionados de explorar.”

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