Los científicos de la Universidad de Chicago han desarrollado un enfoque novedoso para controlar la actividad de las enzimas mediante el uso de proteínas sintéticas similares a los anticuerpos conocidas como monocuerpos. Un equipo dirigido por Shohei Koide, PhD, profesor de bioquímica y biofísica molecular, fuecapaz de cambiar la especificidad de una enzima, ampliamente utilizada en la industria alimentaria, sin alterar la enzima en sí misma, estableciendo una nueva ruta para la ingeniería enzimática y demostrando la versatilidad de estas proteínas sintéticas. Los resultados, detallados en línea en Biología química de la naturaleza el 31 de agosto de 2015, tienen implicaciones generalizadas para una amplia gama de aplicaciones industriales, científicas y médicas en las que se utilizan enzimas.
"Esta es la primera vez que las moléculas accesorias sintéticas han sido diseñadas para cambiar la especificidad de una enzima para lograr un producto final deseado", dijo Koide, quien también se desempeña como Director Científico del Consorcio Biomédico de Chicago ".En este artículo, demostramos su eficacia en azúcares, pero se pueden imaginar aplicaciones de este concepto con enzimas que actúan sobre otros tipos de moléculas como los lípidos y péptidos: hay literalmente cientos de enzimas que se usan actualmente en la industria y millones que son potencialmente útiles."
Las enzimas son proteínas que impulsan reacciones químicas y permiten procesos biológicos complejos. Actúan al reconocer y unir moléculas diana específicas, llamadas sustratos. Algunas enzimas combinan sustratos en una nueva molécula, como las que sintetizan hebras de ADN a partir de ácidos nucleicos. Otrossepare los sustratos en múltiples productos, como los que descomponen el almidón en azúcares. Las enzimas se utilizan en una amplia gama de aplicaciones comerciales, como la preparación de alimentos, suplementos dietéticos, productos terapéuticos y químicos.
Un objetivo principal en biotecnología es modificar la actividad enzimática para llevar a cabo reacciones a medida. Los métodos actuales utilizan la ingeniería genética para mutar físicamente las enzimas. Sin embargo, esto es difícil de lograr y requiere un conocimiento detallado de la estructura enzimática y la dinámica funcional, que puedeser costoso, lento e ineficiente
Koide y sus colegas abordaron este problema aprovechando su larga experiencia en el diseño de monocuerpos: proteínas compactas que funcionan como anticuerpos sintéticos. Al igual que los anticuerpos, los monocuerpos reconocen y se unen a proteínas diana específicas, que sirven como un marcador o afectan la función.Con su pequeño tamaño alrededor de 15 veces más pequeño que un anticuerpo y su estructura simple, los monocuerpos pueden diseñarse para unirse con precisión precisa a las posiciones deseadas dentro de una molécula objetivo, como una enzima.
Los investigadores se centraron en la beta-galactosidasa, una enzima ampliamente utilizada en la industria alimentaria. Uno de sus principales usos es la producción de cadenas cortas de azúcar que pueden servir como prebióticos beneficiosos. Esta enzima construye cadenas de moléculas de azúcar al agregar unidades individuales de azúcara cadenas existentes. Sin embargo, sus productos son de longitud variable, lo que lleva a pequeñas cantidades de las cadenas de azúcar cortas deseadas.
El equipo se propuso diseñar un monocuerpo que hace que la enzima actúe solo en pequeñas cadenas de azúcar. Comenzando con un grupo de alrededor de 10 mil millones de monocuerpos únicos, utilizaron técnicas de evolución dirigida para identificar un grupo de monocuerpos que se unen cerca del sitio activode beta-galactosidasa. Después de múltiples rondas de extenuantes experimentos de selección, pudieron diseñar un monocuerpo que alteró con precisión la actividad de beta-galactosidasa de la manera que deseaban, a pesar de tener un conocimiento limitado de cómo la enzima lleva a cabo la reacción.
El monocuerpo bloquea parcialmente el sitio activo de la enzima y evita que acepte azúcares grandes como sustrato, lo que lo obliga a producir solo cadenas de azúcar cortas.
"Pudimos diseñar un monocuerpo que evita que la beta-galactosidasa use ciertos azúcares como material de partida y produzca solo oligosacáridos pequeños, lo que lo convierte en un catalizador mucho más valioso para su uso en la industria", dijo Koide. "Nuestros colaboradores generaron más de 1,000mutantes de esta enzima en intentos anteriores para lograr el mismo objetivo y ninguno de ellos hizo lo que este monocuerpo logró. Estamos muy satisfechos con el resultado ".
Los monocuerpos son relativamente económicos de producir en grandes cantidades, y ya están siendo utilizados como plataforma para otras aplicaciones por las compañías de biotecnología. El equipo ahora está investigando otras enzimas que podrían beneficiarse de la tecnología monocuerpo, y está trabajando con un socio de la industria para desarrollarbeta-galactosidasa modificada con monocuerpo para uso comercial.
"Por ahora, esta tecnología es más útil cuando se restringe el material de partida que usan las enzimas de mayor a menor", dijo Koide. "Hay muchos casos en los que uno quisiera producir solo productos más pequeños, y muchas más posibilidades interesantes queestamos emocionados de explorar "
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Materiales proporcionado por Centro médico de la Universidad de Chicago . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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