Российские и немецкие ученые изучили ферменты, превращающие жирные кислоты в углеводородные цепи под воздействием света. Исследователи нашли отличительные особенности белков и проследили их наследование между разными родственными организмами. Результаты помогут в поиске новых ферментов и дизайне белков для химической промышленности.

Работа опубликована в журнале Catalysts.

В последние десятилетия повышается интерес к ферментам, работающим под воздействием света. Эти белки катализируют специфичные биохимические реакции, не требуя определенных условий. Природные катализаторы могут быть использованы для получения топлива из биоматериалов в промышленных масштабах. К таким белкам относятся недавно открытые фотодекарбоксилазы жирных кислот, которые под воздействием синего света превращают жирные кислоты в длинные углеводороды.

Эволюция привела к появлению широкого разнообразия ферментов, однако ни один из них не способен работать с короткими углеродными цепочками, что могло бы повысить их применимость в промышленности. Методы направленной эволюции и рационального дизайна белков позволяют получать ферменты с заданными свойствами, однако на перебор всех возможных вариантов уйдет непозволительно много времени.

Ученые из МФТИ совместно с коллегами из Юлихского исследовательского центра занимаются поиском новых ферментов с помощью методов метагеномики, сбора данных о последовательностях без подробного исследования организмов и их компьютерного анализа.

«Когда мы хотим получить белок с заранее заданными свойствами, мы ищем какой-то похожий в природе и пытаемся его модифицировать. Возможно, естественная эволюция уже сделала все за нас, и нам нужно только отыскать наш белок. После появления метагеномики мы получили возможность извлекать информацию о последовательностях, даже не зная, к каким организмам они относятся. Это позволяет сравнивать значительно больше белков между собой и искать закономерности, которые определяют активность белка. Метагеномика позволяет сильно уменьшить количество экспериментов, необходимых для получения белка с оптимальной активностью и устойчивостью к агрессивным средам. Наша работа направлена как раз на это — мы сравнили последовательности фотодекарбоксилаз жирных кислот, найденных в известных организмах и метагеномных данных, и нашли как сохраняющиеся, так и вариабельные мотивы. Полученные результаты помогут понять, какие аминокислоты можно заменить для повышения эффективности ферментов для применения в промышленном производстве», — рассказывает один из авторов работы, заведующий лабораторией структурного анализа и инжиниринга мембранных систем МФТИ Иван Гущин.

Авторы статьи начали со структуры наиболее изученной фотодекарбоксилазы жирных кислот, в которой определили активные участки, отвечающие за ферментативную активность. Из большого семейства фотодекарбоксилаз ученые выделили все интересующие белки, а исследование их структуры выявило особенности аминокислотных последовательностей.

Наиболее вариабельными оказались фрагменты, окружающие гидрофобную часть жирной кислоты во время реакции. Исследователи рассчитывают, что их изменение позволит повысить эффективность работы фермента. Также авторы построили филогенетическое древо исследованных белков — оно примерно повторило родственные связи между организмами хозяев последовательностей.