Mezinárodně uznávaný časopis Journal of the American Chemical Society publikoval významný objev patnácti českých vědců, kteří se zaměřili na studium enzymů, přesněji řečeno na mechanismy, jež mohou podstatně zvýšit jejich účinnost. Odborníci z Loschmidtových laboratoří při Masarykově univerzitě v Brně spolu s vědci z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského na tomto výzkumu pracovali více než šest let a předpokládají, že získané poznatky naleznou využití v biotechnologickém či farmaceutickém průmyslu.

Týmy Jana Sýkory z Heyrovského ústavu a Zbyňka Prokopa z Loschmidtových laboratoří při Masarykově univerzitě si stanovily za cíl porozumět způsobu, jak může dynamika enzymů ovlivnit průběh chemických reakcí. Konkrétně se při tom zaměřily na dehalogenázu – bakteriální enzym, který dokáže štěpit toxické molekuly obsahující chlor a brom na méně škodlivé alkoholy, a může tak najít praktické využití kupříkladu v ochraně životního prostředí.

Enzymy dehalogenázy jsou poměrně velké molekuly. K samotné chemické reakci, jež přeměňuje výchozí látky na konečné produkty, dochází v takzvaném aktivním místě enzymu. Toto místo je uzpůsobeno molekulám vstupujícím do reakce a mělo se za to, že jeho uspořádání a vlastnosti mají dominantní vliv na účinnost enzymu. V řadě případů se však tato aktivní místa nacházejí hluboko uvnitř molekuly enzymu a modifikovaná látka se tam musí nejprve určitým způsobem dostat.

„Do aktivního místa proto molekuly přicházejí systémem tunelů a bran, které mohou jejich průchod ovlivnit. Doposud se tvarům a vlastnostem těchto tunelů a bran nepřikládala důležitost. My jsme se ale zaměřili právě na tyto transportní cesty, jejichž tvar a dynamika ovlivňují, které molekuly mohou proniknout dovnitř či ven, a tím se mění i účinnost daných enzymů,“ upřesnila spoluautorka studie Piia Kokkonen, farmaceutická chemička finského původu pracující v Loschmidtových laboratořích.

Přepínání mezi dvěma stavy

Vysoká aktivita enzymu dehalogenázy přivedla vědce k teorii, že enzym může přecházet mezi dvěma formami, z nichž každá je vhodná pro určitou fázi reakce – konkrétně mezi otevřenou formou, která umožňuje účinný transport molekul k aktivnímu místu, a zavřenou formou, jež se hodí pro samotnou chemickou přeměnu vstupních látek na výsledný produkt. Vědcům se podařilo odhalit rychlé překmitávání mezi těmito dvěma stavy, tedy dynamiku, která je zodpovědná za vysokou aktivitu studovaného enzymu.

„Podobá se to zavíracímu noži s více nástroji, které se dají rychle vyměňovat. Tím se různé úkony potřebné pro chemickou přeměnu stávají velice rychlými a efektivními,“přiblížil teorii Jan Sýkora, jeden z vedoucích projektu z Heyrovského ústavu.

Účinnější léčiva

Vědci z obou skupin spolupracovali na tom, aby za pomoci experimentů a počítačových simulací ukázali, jak mohou změny ve struktuře enzymu ovlivnit dynamiku vstupních bran a tím také enzymatickou aktivitu. Využili při tom jednak takzvanou tranzitní kinetiku, která mapuje rychlost reakce, jednak fluorescenční spektroskopii, která je schopná zachytit přechod mezi oběma formami enzymu v reálném čase.

Jak přesně vypadají tyto dva stavy na molekulární úrovni, pak za pomoci počítačové simulace popsala právě Kokkonen. „Enzymy jsou bílkoviny složené z jednotlivých aminokyselin. Při počítačové simulaci měníme jednu nebo více z nich a kolegové pak musejí v laboratoři připravit takto upravenou bílkovinu, vyčistit ji a otestovat. Změny aminokyselin totiž mohou měnit tvar a dynamiku enzymů, a tedy i jejich vlastnosti,“ vysvětlila.

Nyní by se měl výzkum podle Sýkory soustředit i na další enzymy a pokud možno objevit způsob, jak vnést podobné dynamické chování „bran“ do dalších variant, a výrazně tak zlepšit jejich aktivitu. Kokkonen dodala, že publikované výsledky mohou posloužit jako základ pro další vývoj enzymů, které naleznou uplatnění v biomedicíně při efektivní přípravě léčiv.

Ačkoli celý projekt zaměstnává oba vědecké týmy již více než šest let, rozhodně ještě není u konce. Spolupráce mezi Heyrovského ústavem a Loschmidtovými laboratořemi tak bude pokračovat i nadále. Dosud se na výzkumu podílelo asi patnáct vědců, přičemž dvě třetiny jich působí v rámci Masarykovy univerzity.
 

Související články:

V Heyrovského ústavu popsali nový aspekt štěpení vazeb mezi uhlíkem a vodíkem

V Heyrovského ústavu zkoumají unikátní molekuly kalixareny

Připravili: Veronika Zelenková, Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského, a Milan Pohl, Odbor mediální komunikace Kanceláře AV ČR
Foto: Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského