นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยควีนส์แลนด์ในเมืองบริสเบน ประเทศออสเตรเลีย “ฟื้นคืนชีพ” ของรูปแบบบรรพบุรุษของเอนไซม์ P450 ที่มีความสำคัญทางเทคโนโลยีได้ประสบความสำเร็จในการปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนอย่างมีนัยสำคัญ ในตอนนี้ เอ็นไซม์สามารถผลิตให้ทนทานต่ออุณหภูมิที่สูงถึง 66°C และต้านทานตัวทำละลายได้ดีกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับรูปแบบที่ไม่เสถียร
เทคนิคใหม่นี้อาจนำไปใช้กับเอ็นไซม์
และโปรตีนอื่นๆ ทั้งหมด และสามารถปฏิวัติการเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพในเชิงพาณิชย์ได้ เอ็นไซม์ที่เสถียรยังเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการศึกษาหน้าที่พื้นฐานและโครงสร้างของโปรตีนเพื่อให้เข้าใจถึงวิธีการทำงานของโปรตีนได้ดีขึ้นเอนไซม์จะมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในฐานะตัวเร่งปฏิกิริยาในเศรษฐกิจชีวภาพที่เกิดขึ้นใหม่แห่งศตวรรษที่ 21 อ ลิซาเบธ กิลแลมแห่งโรงเรียนเคมีและชีววิทยาศาสตร์โมเลกุลแห่งมหาวิทยาลัยควีนส์แลนด์ซึ่งเป็นผู้นำในการวิจัยนี้กล่าว ปัญหาคือเอ็นไซม์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติมักจะไม่เสถียรมากที่อุณหภูมิสูงและใช้เวลานานในกระบวนการทางอุตสาหกรรม “เป็นการยากที่จะออกแบบเอ็นไซม์เพื่อให้ทนต่อความร้อนได้ เนื่องจากโปรตีนนั้นซับซ้อนมาก และเราก็ไม่รู้เพียงพอเกี่ยวกับวิธีการทำงานของเอนไซม์ในการออกแบบตั้งแต่เริ่มต้น แม้ว่าจะมีการวิจัยในห้องปฏิบัติการเปียกที่เข้มข้นและมีค่าใช้จ่ายสูงในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา
“ด้วยการทำให้เอ็นไซม์ cytochrome P450 เสถียร ซึ่งเกี่ยวข้องกับการผลิตยา สารแต่งกลิ่น สารแต่งกลิ่น ยาฆ่าแมลง ฮอร์โมน และสารเคมีที่น่าสนใจอื่นๆ ที่เกิดจากแบคทีเรีย พืช และสัตว์ ทำให้เราคิดได้ว่าพวกมันถูกใช้เป็น ตัวเร่งปฏิกิริยาของชั้นวางเป็นครั้งแรก สิ่งนี้จะช่วยเร่งการเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพและช่วยให้กระบวนการทางเคมีมีประสิทธิภาพและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น”
เอ็นไซม์โบราณมีความทนทานต่อความร้อนมากกว่า
ในอดีต โลกร้อนกว่าที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน และในสมัยก่อนแคมเบรียน เช่น อุณหภูมิของมหาสมุทรสูงถึง 60°C หรือมากกว่านั้น เอนไซม์ในสิ่งมีชีวิตใดๆ ในช่วงเวลานี้ (ซึ่งส่วนใหญ่เป็นจุลินทรีย์ในทะเลดึกดำบรรพ์ เช่น แบคทีเรียและอาร์เคีย) จะต้องทนต่ออุณหภูมิเหล่านี้ “ในช่วงหลังๆ นี้ เช่น เมื่อสัตว์และพืชที่ซับซ้อนชนิดแรก และในที่สุดสัตว์มีกระดูกสันหลังอย่างเราก็มีวิวัฒนาการ (ประมาณ 450 ล้านปีก่อน) คิดว่าอุณหภูมิจะลดลงมาก (ภายในประมาณ 10 องศาของอุณหภูมิที่เราชอบในปัจจุบัน) ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องมีเอ็นไซม์ที่สามารถทนต่อความร้อนได้
“ในการ ‘ฟื้น’ บรรพบุรุษของเอนไซม์ P450 ที่มีความเสถียรทางความร้อนมากขึ้นซึ่งมีอยู่ในขณะที่สัตว์มีกระดูกสันหลังตัวแรกเริ่มปรากฏขึ้น เราเริ่มต้นด้วยการได้รับลำดับยีนทั้งหมดของเอนไซม์นี้ที่เราสามารถทำได้และหาความคล้ายคลึงกันระหว่างลำดับของพวกมันกับความสัมพันธ์เชิงวิวัฒนาการระหว่าง พวกเขา ทั้งหมด” เธอบอกPhysics World “จากนั้นเราได้กำหนดลำดับที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดของบรรพบุรุษร่วมกัน (การคาดเดาที่ดีที่สุดสำหรับยีนที่พวกเขาวิวัฒนาการมาทั้งหมด) โดยใช้อัลกอริทึมของคอมพิวเตอร์ จากนั้นเราก็สังเคราะห์แล้วใส่เข้าไปในแบคทีเรียเพื่อสร้างโปรตีนที่สอดคล้องกันและทดสอบคุณสมบัติของมัน”
ทำให้กระบวนการทางชีวภาพมีต้นทุนน้อยลง
นักวิจัยมองว่าปฏิกิริยาใดที่บรรพบุรุษ P450 สามารถกระตุ้นได้ และพบว่ามีความคล้ายคลึงกันมากกับรูปแบบของเอนไซม์ที่พบในตับของมนุษย์ซึ่งมีหน้าที่ในการล้างยาและสารที่เป็นพิษ “ข้อแตกต่างที่สำคัญคือเอนไซม์รุ่นบรรพบุรุษสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงและมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าเอนไซม์ของมนุษย์ในปัจจุบันถึงร้อยเท่า “ซึ่งหมายความว่าสามารถใช้เป็นเวลานานกว่าในกระบวนการเชิงพาณิชย์ ดังนั้นจึงให้ผลผลิตมากขึ้นสำหรับปริมาณเอนไซม์ที่ใช้เท่ากัน ทำให้กระบวนการ biocatalytic โดยรวมมีค่าใช้จ่ายน้อยลง”
และนั่นไม่ใช่ทั้งหมด ทีมงานยังแสดงให้เห็นว่าวิธีการนี้ใช้ได้กับเอนไซม์อื่น กรด ketol-acid reductoisomerase หรือ KARI ซึ่งสามารถนำมาใช้ในการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพได้ กลยุทธ์นี้อาจใช้กับเอนไซม์และโปรตีนทั้งหมดได้ Gillam กล่าว
การศึกษาขั้นพื้นฐานเกี่ยวกับโปรตีนจะง่ายขึ้นเช่นเดียวกับที่อาจปฏิวัติการเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพในเชิงพาณิชย์ เอนไซม์ที่มีความเสถียรทางความร้อนแบบใหม่นี้จะช่วยให้เราศึกษาธรรมชาติพื้นฐานของโปรตีนได้ง่ายขึ้น “โปรตีนที่ทนความร้อนได้ง่ายกว่ามากในการทำงานด้วย เพราะพวกมันไม่แตกสลายเร็วเท่ากับโปรตีนที่มีความเสถียรน้อยกว่าเมื่อถูกทำให้บริสุทธิ์ ดังนั้นเราจึงสามารถกำหนดโครงสร้างของพวกมันและสำรวจหน้าที่ของบรรพบุรุษที่ทนความร้อนได้เพื่อให้เข้าใจถึงความทันสมัยที่เกี่ยวข้องได้ดีขึ้น
“มีข้อมูลจำนวนมากที่ออกมาจากโครงการจัดลำดับจีโนมในขณะนี้ แต่เรายังไม่มีเบาะแสเกี่ยวกับโครงสร้างและหน้าที่ของโปรตีนที่ยีนจำนวนมากเข้ารหัส สิ่งนี้เรียกว่า ‘โปรตีโอมสีเข้ม’ การมีโปรตีนที่ไม่ระบุลักษณะเหล่านี้ในเวอร์ชันที่เสถียรหมายความว่าตอนนี้เราสามารถศึกษาพวกมันได้ง่ายขึ้น หาว่าพวกมันมีหน้าตาเป็นอย่างไร และมีแนวโน้มว่าพวกมันทำอะไร
“การวิเคราะห์โครงสร้างของเอนไซม์เหล่านี้จะบอกเราได้มากว่าโปรตีนมีวิวัฒนาการอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป เราอาจใช้ประโยชน์จากกระบวนการวิวัฒนาการตามธรรมชาติเหล่านี้เพื่อกำหนด ‘กฎการออกแบบ’ และนำโปรตีนกลับมาใช้ใหม่เพื่อประโยชน์ของเราเอง”
นักวิจัยกล่าวว่าขณะนี้พวกเขากำลังดูว่า P450 ที่ทนความร้อนเหล่านี้สามารถนำมาใช้ในชีววิทยาสังเคราะห์ได้อย่างไร และวางแผนที่จะออกแบบและทดสอบอุปกรณ์โมเลกุลแบบใหม่สำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน เช่น การตรวจจับและทำความสะอาดสารมลพิษในน้ำเสีย เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความปลอดภัยของยาเคมีบำบัด .
“เรายังต้องการค้นหาว่าเอนไซม์บรรพบุรุษเหล่านี้ทำอะไรในสิ่งมีชีวิตโบราณ” กิลแลมกล่าว “เดิมทีพวกเขามีหน้าที่รับผิดชอบใน ‘การป้องกันสารเคมี’ เนื่องจากลูกพี่ลูกน้องสมัยใหม่ของพวกเขาอยู่ในมนุษย์และสัตว์อื่น ๆ หรือไม่? หรือพวกเขาพัฒนาความหลากหลายของตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อตอบสนองต่อแรงกดดันในการเลือกระหว่างวิวัฒนาการ? พวกเขามีรูปร่างอย่างไรโดยวิวัฒนาการเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่น่าสนใจและทรงพลังที่เรามีในปัจจุบัน”
Credit : เกมส์ออนไลน์แนะนำ >> ป๊อกเด้งออนไลน์
