Новый процесс упрощает создание аминокислот, которых не существует в природе

Каждый белок в вашем организме состоит из одних и тех же 20 строительных блоков, называемых аминокислотами. Но то, что природа ограничена набором инструментов, не означает, что люди не могут его расширить.

Исследование опубликованоДоктор наук, написанный командой химиков Питта, описывает новый мощный способ создания «неестественных» аминокислот, которые могут найти применение в белковой терапии и открыть новые области органической химии.

«Это совершенно новая трансформация: новая для природы и новая для химии», — сказал Пэн Лю, профессор химии в Школе искусств и наук Кеннета П. Дитриха и автор статьи. «Приказать ферменту создать неестественную конфигурацию аминокислоты — это необычно, и вам придется делать это с помощью тщательной биоинженерии».

Измените всего лишь одну часть более крупного белка, и вы сможете изменить его форму и то, что он делает — поэтому неестественные аминокислоты обещают открыть новые виды терапии, такие как антибиотики или иммунодепрессанты, в которых используются белки или их меньшие родственники.

Однако создание таких молекул в лаборатории — это обременительный и многоэтапный процесс: части аминокислоты, которые соединяются друг с другом, образуя белковую цепь, должны быть защищены, поскольку исследователи химически преобразуют остальную часть молекулы. Однако реакция, описанная в новой статье, проще и эффективнее и предлагает химикам беспрецедентный уровень контроля над тем, как группы атомов ориентируются в получаемой молекуле.

Он также необычным образом использует химический инструмент — фермент PLP. Ферменты — это белки, которые катализируют реакции. Как правило, даже когда их функции изменяются с помощью биоинженерии, все, что они могут сделать, — это ускорить известные химические процессы, которых химики могли бы достичь другими, хотя и более медленными способами. Но в сочетании со светочувствительным молекулярным катализатором фермент в этой новой реакции может достичь гораздо большего.

«Вы можете утверждать, что биоинженерные ферменты обеспечивают более высокую эффективность, чем низкомолекулярные катализаторы, но они катализируют одну и ту же реакцию», — сказал Лю. «Но это совершенно новая реакция. Раньше его просто не существовало».

Группа Лю использует компьютерное моделирование, чтобы выяснить сложный танец, происходящий в химической реакции на уровне атомов и электронов, добавляя «почему» к «что», обнаруженному группами, проводящими эксперименты. Над этой статьей постдокторант Лю и Питта Бинь Кхань Май работал с командой исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре под руководством Янга Янга. Это сотрудничество крепнет с 2014 года, когда Ян провел лето в лаборатории Лю в качестве приглашенного аспиранта. .

Лю и Май углубились в данные, предоставленные группой Янга, чтобы понять, как и почему произошла реакция, и выяснили промежуточные этапы, невидимые для химиков. На одном этапе дуэт особенно внимательно изучил: электрон должен пройти необычно большое расстояние на своем пути между двумя молекулами. «Нам пришлось провести тщательное моделирование вероятности этого, потому что это новый для природы шаг, и он поддерживает весь механизм реакции», — сказал Лю.

В основе этих моделей лежат огромные вычислительные мощности. Лю называет Центр исследовательских вычислений Питта важным компонентом успеха лаборатории, поскольку сложные симуляции, которые группа выполняет, чтобы понять тонкости химических реакций, требуют времени с использованием новейших и мощных суперкомпьютеров.

Несмотря на это, вопросы до сих пор остаются без ответа, и эта статья — лишь первый шаг в серии сотрудничества между двумя командами. Если они смогут лучше понять, почему происходит необычная реакция, группа Лю может открыть возможность использовать ее в различных контекстах для создания широкого спектра новых химических инструментов, лекарств и многого другого.

«Вы можете подумать о том, сколько различных типов неприродных аминокислот вы могли бы создать — их практически неограниченное количество», — сказал Лю. «Так можем ли мы использовать это понимание и для разработки других новых реакций?»