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Un nuovo approccio personalizzato indica una svolta nell’evoluzione diretta degli enzimi stabili

Gli enzimi, evoluti in natura, sono rinnovabili, non tossici e forniscono una via ecologica alla sintesi chimica e alla biotecnologia, ma a volte i più utili di loro hanno bisogno di un aiuto per dare impulso alla loro attività e alla loro stabilità. Alcuni ricercatori, finanziati dall’UE, hanno elaborato una strategia di stabilizzazione completamente nuova per rendere gli enzimi più duraturi e alterarne l’attività.

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Gli enzimi presenti in natura potrebbero essere leggermente modificati per attuare nuovi trucchi, alterando la loro sequenza di DNA. La scintilla di questa idea, per cui un’ingegnera chimica statunitense ha vinto il premio Nobel per la chimica nel 2018, proviene dal concetto darwiniano dell’evoluzione biologica che combina i processi di mutazione genetica e di ricombinazione, con la selezione naturale. Oggi, questo processo evolutivo viene sempre più impiegato nei laboratori chimici per creare nuovi enzimi: il processo inizia con la ricerca di un enzima adatto che svolge debolmente la reazione desiderata, che viene poi mutato e testato per l’attività desiderata. Dopo molti cicli di ottimizzazione, il vincitore è un enzima evoluto con l’attività desiderata. Questa versione artificiale, accelerata del processo evolutivo è chiamata evoluzione diretta. Gli enzimi sviluppati utilizzando l’evoluzione diretta rappresentano un’alternativa ecologica ai metalli tossici o alle ingenti quantità di solventi organici. Nonostante i progressi compiuti nel settore, l’utilizzo di enzimi per produrre prodotti di chimica fine, materiali e farmaci non è stata sfruttata pienamente a causa della loro limitata tolleranza alle condizioni non fisiologiche. Temperature elevate o microambienti innaturali (quali il livello di pH estremo e la presenza di solventi e detergenti organici) si rivelano spesso inadatti agli enzimi, in quanto ne compromettono la stabilità e quindi la selettività e l’attività.

Le proteine circolari sono più stabili

Gli scienziati europei hanno affrontato l’argomento con il supporto del Consiglio europeo della ricerca (CER). Tom Grossmann, professore di chimica del Dipartimento di scienze chimiche e farmaceutiche presso la Vrije Universiteit (VU) di Amsterdam e il suo team hanno sintetizzato e testato reagenti reticolanti con diverse proprietà fisiche e chimiche, che si legano a varie parti degli enzimi per produrre versioni robuste e più efficienti. Alla base del loro lavoro vi è una strategia di stabilizzazione completamente nuova chiamata ciclizzazione in situ delle proteine (INCYPRO). Grossmann spiega il principio alla base dell’idea: «INCYPRO permette un processo di progettazione semplice, computazionale e non iterativo che prevede l’introduzione di tre cisteine nell’enzima, che poi reagiscono con un reticolante elettrofilo avente tre centri». Il team del progetto ha creato differenti reticolanti «decorando» un struttura centrale simmetrica, trietilammina, triazina o benzene, con tre elettrofili, acrilammide, cloroacetammide e vinil sulfonamide (specie chimiche che attraggono gli elettroni). Il reticolante reagisce con le tre catene tioliche laterali delle cisteine sull’enzima, dando origine a una proteina multiciclica che possiede una struttura centrale più robusta (stabile). Quanto maggiore è risultato l’«attaccamento agli elettroni» dell’elettrofilo, tanto più rapido è stato il legame del reticolante con i gruppi tiolici.

Un’alternativa migliore agli approcci di stabilizzazione esistenti

INCYPRO utilizza gli enzimi composti interamente di amminoacidi naturali che possono essere ottenuti rapidamente, in modo economico e in grandi quantità. «Gli attuali approcci di stabilizzazione degli enzimi richiedono vari cicli di ottimizzazione o coinvolgono aminoacidi non naturali che complicano la produzione di enzimi. Ciò prolunga il processo di progettazione e aumenta i costi di produzione del nuovo enzima», aggiunge Grossmann. Inoltre, uno degli approcci esistenti è incentrato sull’aumento della stabilità di una piccola parte di una proteina. Il professore e il suo team hanno proseguito il lavoro condotto da un altro progetto finanziato dall’UE, PEP-PRO-RNA, anch’esso supportato dal CER. «In PEP-PRO-RNA, abbiamo sviluppato architetture molecolari (reticolanti) per collegare due o tre parti differenti di un frammento di proteina. Abbiamo concepito INCYPRO per dimostrare che questi tipi di reticolanti possono anche stabilizzare l’intera proteina», osserva Grossmann. Gli enzimi robusti ed efficienti sono valide alternative ai reagenti tossici utilizzati nel settore chimico e in quello farmaceutico, spesso in grado di abbreviare i percorsi multifase di sintesi chimica/farmacologica. «Gli approcci di stabilizzazione semplice e ad alta efficienza come INCYPRO hanno un impatto positivo nel settore della chimica verde», conclude Grossmann.

Parole chiave

INCYPRO, enzima, reticolante, proteina, evoluzione diretta, elettrofilo, ciclizzazione, chimica verde

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