Daha İyi Enzimler Oluşturmak, Onları Parçalayarak Mümkün!

Enzimler, bir dizi prosese yeşil alternatifler sunarak kimya endüstrisini dönüştürme potansiyeline sahiptir. Bu proteinler biyolojik katalizör görevi görür ve moleküler mühendislik yardımıyla doğal olarak meydana gelen reaksiyonların turbo moduna geçmesini sağlayabilirler. Özel olarak üretilen enzimler, örneğin, çevreyi kirletmeyen ilaç üretimine yol açabilir. Ayrıca kirleticileri, kanalizasyon ve tarımsal atıkları güvenli bir şekilde parçalayabilir ve daha sonra bunları biyoyakıt veya hayvan yemine dönüştürebilirler.

Science dergisinde yayınlanan yeni bir Weizmann Bilim Enstitüsü çalışması, bu vizyonu gerçeğe daha da yaklaştırıyor. Biyomoleküler Bilimler Bölümü’nden Profesör Sarel Fleishman başkanlığındaki araştırmacılar raporlarında, binlerce farklı aktif enzimi tasarlanmış modüler yapı taşlarından bir araya getirerek benzeri görülmemiş bir verimlilikle tasarlamaya yönelik bir hesaplama yöntemini ortaya koyuyor.

Biyokimyacılar genellikle doğal olarak var olan enzimlerin DNA’larını rastgele değiştirerek ve ortaya çıkan varyantları istenen aktivite için tarayarak yeni enzimler tasarlarlar ki bu son derece zaman alıcı bir süreçtir. Fleishman’ın ekibi, doğal enzimleri daha sonra çeşitli şekillerde değiştirilebilen ve yeniden birleştirilebilen oluşturucu fragmentlere ayırarak çok sayıda çok çeşitli enzim üretme fikrini ortaya attı.

Bu yeni yaklaşımın ilham kaynağı içeriden geldi: Sadece nispeten az sayıda gen tarafından dikte edilen fragmentten milyarlarca farklı antikor -prensipte herhangi bir zararlı mikroorganizmaya karşı koyabilen proteinler- üretebilen bağışıklık sistemimiz. Fleishman, “Antikorlar, doğada modüler bir şekilde üretildiği bilinen tek protein ailesidir,” dedi ve “Bu devasa çeşitlilik, önceden var olan transistörlerden ve işlem birimlerinden yeni bir tür elektronik cihazın bir araya getirilmesine benzer şekilde, önceden var olan genetik fragmentlerin yeniden birleştirilmesiyle elde ediliyor.” şeklinde ekleyerek açıkladı.

Enzimler, antikorlar gibi, laboratuvarda tasarlanmış modüler parçaların birleşerek daha büyük yapılara dönüşmesiyle üretilebilir mi?

Fleishman’ın laboratuvarındaki çalışmayı yöneten doktora öğrencisi Rosalie Lipsh-Sokolik, bitki hücre duvarlarının ortak bir bileşeni olan ksilanı parçalayan birkaç düzine enzimden oluşan bir aile üzerinde denemelere başladı. Lipsh-Sokolik, “Bu enzimlerin aktivitesini artırmayı başarırsak, ksilan ve selüloz gibi bitki bileşiklerini şekere dönüştürmek için kullanılabilirler ve bu da biyoyakıt üretmeye yardımcı olabilir” dedi ve  “Örneğin tarımsal atıkları bertaraf etmek yerine, bunları bir enerji kaynağına dönüştürebiliriz.” diyerek ekledi.

Lipsh-Sokolik, fizik tabanlı protein tasarım hesaplamalarını yeni bir makine öğrenimi modeliyle birlikte kullanan bir algoritma geliştirdi. Algoritma, ksilan parçalayıcı enzim sekanslarının farklı varyantlarının her birini birkaç fragmente ayırdı ve daha sonra bu fragmentlere düzinelerce mutasyon ekledi. Hepsi de farklı bitlerin potansiyel uyumluluğunu en üst düzeye çıkaracak şekilde. Daha sonra fragmentleri farklı kombinasyonlar halinde birleştirdi ve kararlı olduğu düşünülen kodlanmış enzimlerin bir  milyon sekansını seçti.

Lipsh-Sokolik ve meslektaşları için bir sonraki adım, bu bilgisayar modellerinden bir milyon gerçek enzim sentezlemek ve bunları laboratuvarda test etmekti.

Şaşırtıcı bir şekilde 3.000 tanesinin aktif olduğu doğrulandı. Fleishman, “Deneysel sonuçlara ilk baktığımızda hayretler içinde kaldık,” dedi ve “”Yüzde 0,3’lük başarı oranı yüksek değil, ancak elde ettiğimiz farklı aktif enzimlerin sayısı şaşırtıcıydı. Tipik protein tasarımı ve mühendisliği çalışmalarında belki bir düzine aktif enzim görürsünüz.” diyerek ekledi.

Geniş bir enzim repertuarına sahip olan araştırmacılar daha sonra protein araştırmacılarının ilgisini çeken kilit bir soru sordular: Aktif enzimleri inaktif olanlardan ayıran moleküler özellikler nelerdir?

Lipsh-Sokolik, makine öğrenimi araçlarını kullanarak enzimleri karakterize eden yaklaşık yüz özelliği inceledi ve en umut verici on tanesini bir aktivite tahmincisi oluşturmak için kullandı. Bu aktivite tahmincisini algoritmasına dahil ettiğinde ve tasarım deneyini ksilan parçalayan enzimlerle tekrarladığında, bu ikinci nesil repertuarda ksilanı parçalayan 9.000 kadar enzim ve selülozu parçalayabilen 3.000 enzim daha vardı ve toplam 12.000 aktif enzime ulaştı. Bu, ilk deneye kıyasla başarı oranında on katlık bir artış ve protein tasarımı tarihinde eşi benzeri olmayan bir başarıdır. Ekip; tek bir deneyde, standart yöntemlerin on yılda üretebileceğinden daha fazla potansiyel olarak aktif enzim tasarlamayı başardı.

Sadece bu da değil, bu aktif varyantların binlercesi hem sekans hem de yapı açısından son derece çeşitliydi. Bu da çok çeşitli yeni işlevler yerine getirebileceklerini gösteriyor.

Lipsh-Sokolik, “Artık inanılmaz derecede güvenilir olduğunu bildiğiniz tamamen otomatik bir yöntem kullanarak bu kadar yüksek düzeyde aktiviteye sahip enzimler oluşturabiliyorsanız, bu gerçekten iyi bir haber” dedi.

Fleishman, bilim insanlarının CADENZ (Combinatorial Assembly and Design of Enzymes’in kısaltması) adını verdikleri yeni Weizmann yönteminin teorik olarak herhangi bir protein ailesine uygulanabileceğini söylüyor. Ekibi şimdiden yeni, geliştirilmiş antikorların üretilmesi ya da biyolojide yaygın olarak etiket olarak kullanılan floresan proteinlerin varyantlarının yaratılmasına yönelik uygulamaları araştırıyor.

Fleishman, “Hedeflerimden biri, insanların enzim, antikor ve diğer proteinleri tasarlama yöntemlerini değiştirmek,” dedi ve  “Protein mühendisliği ekonominin ve kamu sağlığının merkezi bir parçası haline geliyor. Endüstriyel enzimler proteindir; antikorlar ve aşılar da proteindir. Bunları optimize edebilmemiz ve yenilerini sağlam ve güvenilir bir şekilde üretebilmemiz gerekiyor.” diyerek ekledi.

Çalışmanın katılımcıları arasında Weizmann Bilim Enstitüsü Biyomoleküler Bilimler Bölümü’nden Dr. Olga Khersonsky ve Shlomo-Yakir Hoch; Hollanda’daki Leiden Üniversitesi’nden Dr. Sybrin P. Schro der ve Casper de Boer ile Prof. Hermen S. Overkleeft ve İngiltere’deki York Üniversitesi’nden Prof. Gideon J. Davies yer aldı. ^[1]Building better enzymes — by breaking them down^[2]Öne çıkarılan görsel

[cite]