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Os cientistas criaram um protótipo de um novo método para “projetar racionalmente” enzimas para oferecer melhor desempenho. Eles desenvolveram um algoritmo, que leva em conta a história evolutiva de uma enzima, para sinalizar onde as mutações poderiam ser introduzidas com alta probabilidade de proporcionar melhorias funcionais.
Seu trabalho – publicado hoje na principal revista Comunicações da Natureza – poderá ter impactos significativos e abrangentes num conjunto de indústrias, desde a produção alimentar até à saúde humana.
As enzimas são fundamentais para a vida e fundamentais para o desenvolvimento de medicamentos e ferramentas inovadoras para enfrentar os desafios da sociedade. Eles evoluíram ao longo de bilhões de anos através de mudanças na sequência de aminoácidos que sustenta sua estrutura 3D. Como contas num fio, cada enzima é composta por uma sequência de várias centenas de aminoácidos que codifica a sua forma 3D.
Com uma das 20 ‘esferas’ de aminoácidos possíveis em cada posição, há uma enorme diversidade de sequências possível na natureza. Após a formação da sua forma 3D, as enzimas desempenham uma função específica, como digerir as proteínas da nossa dieta, converter a energia química em força nos nossos músculos e destruir bactérias ou vírus que invadem as células. Se você alterar a sequência, poderá interromper a forma 3D, e isso normalmente altera a funcionalidade da enzima, às vezes tornando-a completamente ineficaz.
Encontrar formas de melhorar a atividade das enzimas seria extremamente benéfico para muitas aplicações industriais e, utilizando ferramentas modernas em biologia molecular, é simples e económico projetar alterações nas sequências de aminoácidos para facilitar melhorias no seu desempenho. No entanto, introduzir aleatoriamente apenas três ou quatro alterações na sequência pode levar a uma perda dramática da sua atividade.
Aqui, os cientistas relatam uma nova estratégia promissora para projetar racionalmente uma enzima chamada “beta-lactamase”. Em vez de introduzir mutações aleatórias em uma abordagem dispersa, pesquisadores do Broad Institute e da Harvard Medical School desenvolveram um algoritmo que leva em consideração a história evolutiva da enzima.
“No centro deste novo algoritmo está uma função de pontuação que explora milhares de sequências de beta-lactamases de diversos organismos. Em vez de algumas alterações aleatórias, foram geradas até 84 mutações em uma sequência de 280 para melhorar o desempenho funcional.” disse o Dr. Amir Khan, professor associado da Escola de Bioquímica e Imunologia do Trinity College Dublin, um dos co-autores da pesquisa.
“E, surpreendentemente, as enzimas recém-projetadas melhoraram a atividade e a estabilidade em temperaturas mais altas.”
Eve Napier, estudante de doutorado do segundo ano do Trinity College Dublin, determinou a estrutura experimental 3D de uma beta-lactamase recém-projetada, usando um método chamado cristalografia de raios X.
Seu mapa 3D revelou que, apesar das alterações em 30% dos aminoácidos, a enzima tinha uma estrutura idêntica à beta-lactamase de tipo selvagem. Também revelou como alterações coordenadas nos aminoácidos, introduzidas simultaneamente, podem estabilizar eficientemente a estrutura 3D – em contraste com alterações individuais que normalmente prejudicam a estrutura da enzima.
Eve Napier disse: “No geral, esses estudos revelam que as proteínas podem ser projetadas para melhorar a atividade por meio de ‘saltos’ dramáticos para um novo espaço de sequência.
“O trabalho tem aplicações amplas na indústria, em processos que requerem enzimas para a produção de alimentos, enzimas que degradam plásticos e aquelas relevantes para a saúde e doenças humanas, por isso estamos bastante entusiasmados com as possibilidades futuras”.
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