قفزة إلى الأمام في هندسة البروتين

تمهد القدرات غير المسبوقة لإنتاج آلاف الإنزيمات الطريق لثورة صناعية خضراء

من تحليل النفايات الملوثة وتنقية مياه الصرف الصحي إلى إنتاج طاقة متجددة - تعد الإنزيمات المخصصة بمستقبل صناعي أكثر خضرة. في دراسة جديدة نشرت اليوم في المجلة العلمية علومعلماء معهد وايزمان للعلوم يقربون الرؤية من الواقع: فريق من الباحثين بقيادة البروفيسور. شيرال فليشمان يقدم هذا الكتاب من قسم العلوم الجزيئية الحيوية طريقة حسابية جديدة لتصميم الإنزيمات من خلال تجميعها من وحدات بناء معيارية. هذه الطريقة، المستوحاة من نظام المناعة لدينا، تجعل من الممكن تصميم آلاف الإنزيمات النشطة بكفاءة غير مسبوقة، وتعد قفزة إلى الأمام في مجال هندسة البروتين.

تعتبر الإنزيمات بلا شك أحد أبرز الأمثلة على إنجازات التطور. وتقوم هذه الآلات الجزيئية، التي بدونها لا تكون الحياة ممكنة، بجميع العمليات الكيميائية التي تجري في الجسم الحي. لقد أدت ملايين السنين من الانتقاء الطبيعي إلى تحسين نشاطها وتحسينه، بحيث أصبحت الإنزيمات قادرة على تسريع معدل بعض التفاعلات الكيميائية بمليارات بل وأكثر. في الواقع، فإن الغالبية العظمى من التفاعلات الكيميائية التي تقوم عليها الحياة لن تحدث بالمعدل المطلوب لوجود الحياة بدون الإنزيمات. مثل البروتينات الأخرى، تعتمد خصائص الإنزيمات على التسلسل الجيني للجينات التي تشفرها وإنشاء بنية دقيقة ثلاثية الأبعاد تعتمد عليها. قد يؤدي الخطأ أو التغيير في التسلسل إلى عدم تكوين البنية المطلوبة لأداء وظيفة الإنزيم، إلا أنه مع ذلك قد يؤدي أيضًا إلى زيادة كفاءته.

ووفقاً لهذا المبدأ التطوري، يقوم علماء الكيمياء الحيوية اليوم بهندسة الإنزيمات عن طريق التجربة والخطأ: في البداية يقومون بتوليد تغييرات عشوائية في الشفرة الوراثية للإنزيمات الطبيعية، ثم يقومون بفحص مدى فعالية المنتجات المهندسة لأغراض مختلفة. فهي، مثل التطور، عملية معقدة وبطيئة وشاقة. في مختبر البروفيسور فليشمان، قرروا القيام بذلك بطريقة مختلفة: تحطيم الإنزيمات الطبيعية إلى أجزاء معيارية، بحيث، على غرار مكعبات الليغو، سيكون من الممكن تغييرها وإعادة تجميعها بطرق مختلفة وإنشاء عدد كبير من الانزيمات المتنوعة جدا.

هذا النهج المبتكر مستوحى من جهاز المناعة لدينا، القادر على إنتاج مليارات من الأجسام المضادة المختلفة عن طريق ربط الأجزاء بشكل عشوائي بناءً على عدد محدود من الجينات. يقول البروفيسور فليشمان: "الأجسام المضادة هي عائلة البروتين الوحيدة في الطبيعة التي يتم إنتاجها بطريقة معيارية". "لقد تم إنشاء تنوعها الهائل بفضل تجميع الأجزاء الجينية الموجودة. وهذا مشابه لكيفية تكوين جهاز إلكتروني جديد من المعالجات والترانزستورات الموجودة."

"" لقد أذهلتنا النتائج. على الرغم من أن نسبة النجاح البالغة 0.3% ليست عالية جدًا على ما يبدو، إلا أن العدد الصافي للإنزيمات النشطة المختلفة - 3,000 - هائل. إن التجربة النموذجية في هندسة الإنزيمات لا تنتج أكثر من بضع عشرات من الإنزيمات النشطة.

ولكن هل من الممكن حتى تحطيم الإنزيمات إلى وحدات بناء معيارية؟ شرعت روزالي ليبتش، طالبة الأبحاث في مختبر البروفيسور فليشمان والتي قادت الدراسة الجديدة، في اختبار السؤال عندما كانت محاطة بعشرات من الإنزيمات الطبيعية التي تحطم الزيلان، وهي مادة شائعة توجد في الجدران، مثل السليلوز. من الخلايا النباتية. وتوضح قائلة: "إن اختيار الإنزيمات التي تحطم الزيلان ليس من قبيل الصدفة". "إذا نجحنا في زيادة نشاط هذه الجزيئات الموجودة بشكل طبيعي في أنواع مختلفة من البكتيريا، فسنكون قادرين على تحليل النفايات الزراعية بكفاءة أكبر وإنتاج الوقود الحيوي منها."

ولاختبار طريقة المقاطع المعيارية، طور ليباش خوارزمية قادرة على اختيار، بناءً على الحسابات الفيزيائية والتعلم الآلي، شرائح تسلسل البروتين التي تكون فرص تجميع الهياكل المستقرة منها هي الأعلى. وباستخدام الخوارزمية، قام الباحثون بتفكيك تسلسلات الإنزيمات الطبيعية إلى أجزاء مختارة وتصميم العشرات من الطفرات في كل قطعة مصممة لجعلها وحدات بناء معيارية جيدة قدر الإمكان. في الخطوة التالية، أعادت الخوارزمية تجميع وحدات البناء الهندسية في مجموعات مختلفة وأنتجت مليون تسلسل من المتوقع أن ينتج إنزيمات مستقرة.

ومع وجود مليون تسلسل في متناول اليد، تحول الباحثون إلى إنتاج مليون إنزيم فعليًا لاختبار فعاليتها في المختبر. ولدهشتهم، تم العثور على حوالي 3,000 إنزيم نشط. قال البروفيسور فليشمان: "لقد أذهلتنا النتائج". "على الرغم من أن معدل النجاح البالغ 0.3% ليس مرتفعًا جدًا على ما يبدو، إلا أن العدد الصافي للإنزيمات النشطة المختلفة هائل. إن تجربة هندسة الإنزيمات النموذجية لا تنتج أكثر من بضع عشرات من الإنزيمات النشطة."

عندما جمعوا مثل هذه الذخيرة الغنية من الإنزيمات النشطة، أثار العلماء سؤالا مركزيا يشغل الباحثين في مجال البروتين: ما هي الخصائص الجزيئية التي تميز الإنزيمات النشطة، وتميزها عن الإنزيمات غير النشطة؟

وبمساعدة أدوات التعلم الآلي، قام ليبش بفحص حوالي 100 خاصية للإنزيمات واختار منها عشر خصائص تتنبأ بشكل أفضل بما إذا كان الإنزيم سيكون نشطًا أم لا. قامت بدمج "متنبأ النشاط" في خوارزميتها وكررت تجربة تصميم الإنزيمات لتكسير الزيلان. أسفرت الجولة الثانية من التجربة بالفعل عن حوالي 12,000 إنزيم نشط - 9,000 إنزيم لتكسير الزيلان و3,000 إنزيم آخر لتكسير السليلوز. بمعنى آخر، ضاعف الباحثون معدل النجاح في التجربة الأولى 10 مرات وأدى ذلك إلى إنجاز غير مسبوق في تاريخ هندسة البروتين: فقد طوروا إنزيمات أكثر نشاطًا في تجربة واحدة من تلك التي تم إنتاجها على مدار عقد من الزمن.

علاوة على ذلك، تم منح الإنزيمات التي تم الحصول عليها تنوعًا استثنائيًا سواء في تسلسلها أو في بنيتها - وهو تنوع يشير إلى إمكانية قدرتها على العمل على مواد أخرى بالإضافة إلى الزيلان والسليلوز.

يقول ليبيش: "إن التكنولوجيا الأوتوماتيكية والموثوقة لإنتاج الإنزيمات بهذا المستوى العالي من النشاط هي أخبار ممتازة". في الواقع، فإن الطريقة الجديدة، التي أطلق عليها العلماء اسم CADEZ - وهي اختصار باللغة الإنجليزية لعبارة "التجميع التوافقي وتصميم الإنزيمات" - ستحدث ثورة في هذا المجال، وسيكون من الممكن تطبيقها ليس فقط على الإنزيمات ولكن أيضًا على أي عائلة من البروتينات. . يقوم فريق البحث في مختبر البروفيسور فليشمان بالفعل بدراسة إمكانيات تطبيق طريقة تصميم أجسام مضادة جديدة ومحسنة وإنشاء أشكال مختلفة من البروتينات الفلورية المستخدمة كعلامات في مختبرات الأبحاث.

يقول البروفيسور فليشمان: "أصبحت هندسة البروتين عنصرًا أساسيًا في الاقتصاد العالمي وصناعة الأدوية". "هدفنا في المختبر هو تغيير الطريقة التي تتم بها هندسة الإنزيمات والأجسام المضادة والبروتينات الأخرى - بحيث تكون العملية أكثر كفاءة وموثوقية وتمهد الطريق لثورة صناعية حقيقية."

ومن بين المشاركين في البحث الدكتورة أولغا خيرسونسكي وشلومو ياكير هوخ من قسم العلوم الجزيئية الحيوية في المعهد؛ الدكتور سيبرين ب. شرودر والدكتور كاسبر دي بوير والبروفيسور هيرمان س. أوفركليفت من جامعة ليدن، هولندا والبروفيسور جيديون ج. ديفيس من جامعة يورك، المملكة المتحدة.