Ein zufällig generiertes, völlig neues Enzym rettet mutierte Bakterien

KolorierteVergrößerte / kolorierte rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Escherichia coli (E. coli), in Kultur gezüchtet und auf ein Deckglas geklebt / Flickr

Proteine ​​sind Ketten von Aminosäuren und jedes Glied in der Kette kann eine der 20 Aminosäuren enthalten, auf die sich das Leben stützt. Wenn du Bei jedem Link sollte zufällig die Anzahl der möglichen Proteine ​​ausgewählt werden Endet ziemlich schnell auf astronomischem Niveau.

Wie kommt es also dazu, dass das Leben völlig neue Gene entwickelt? Ein lab hat diese Frage mit eigenen Proteinen beantwortet von Grund auf neu.

Bereits im Jahr 2016 fand dasselbe Labor heraus, dass neue, zufällige Proteine ​​können wesentliche Funktionen erfüllen. Und diese neuen Proteine waren wirklich neu. Sie wurden von Wissenschaftlern generiert, die Amino hergestellt haben säuresequenzen nach dem zufallsprinzip und hielten dann alle die in die gefaltet stabile helikale Strukturen, die üblicherweise in Proteinen zu finden sind. Diese Proteine ​​wurden dann gescreent, um zu sehen, ob irgendwelche E. coli das retten konnten fehlte ein überlebenswichtiges Gen.

Drei Proteine ​​waren erfolgreich, was darauf hinweist, dass sie kompensiert haben für die essentielle Funktion des fehlenden Gens. Das taten sie aber nicht als Katalysator wirken (was bedeutet, dass sie keine Enzyme waren).

In einem kürzlich erschienenen Aufsatz in Nature Chemical Biology wurde jedoch das Labor berichtet, dass ein neueres Protein als Katalysator fungiert hat.

Dich. In diesen Experimenten fehlte die Fähigkeit, das in ihrem Medium zur Verfügung gestellte Eisen zu verwenden Deletion eines Gens, das normalerweise diese Funktion bietet. Also die Experimente waren ein Test, um festzustellen, ob ein zufällig erzeugtes Protein vorliegt wäre in der Lage, Reaktionen mit Eisen zu katalysieren. Die drei Proteine Das hatte diesen Test im Jahr 2016 bestanden, jedoch einfach das Gen verändert Aktivität, so dass das Eisen durch andere verfügbar wurde Pfade.

Um das neuere Enzym zu erzeugen, nahmen die Forscher eines der Proteine, die die Mutante E bereits gerettet haben. coliund unterwarf es einer zufälligen Mutagenese. Dies letztendlich produzierte ein Eisen freisetzendes Enzym. Genau wie das natürliche Enzym, dieser synthetische hat eine chirale Präferenz für sein Substrat, was bedeutet, dass es nur mit einer strukturellen Form der funktionieren kann Molekül und nicht sein Spiegelbild.

Aber seine Ähnlichkeiten mit dem nativen Enzym enden dort Die Aminosäuresequenz dieses synthetischen Enzyms steht in keiner Beziehung zu das bakterielle Enzym, das es ersetzt. Dies machte herauszufinden, wie es funktioniert sehr schwer. Normalerweise erfolgt dies durch Vergleich des Proteins in Frage zu ähnlichen von anderen Arten: eindeutig nicht ein Option hier. Die Forscher versuchten auch, es zu kristallisieren, was würde sie seine Struktur herausfinden lassen, aber kein Deal.

Also fingen sie an, Aminosäuren nacheinander zu mutieren, um herauszufinden, welche Mutationen machten das Enzym inaktiv. Dies sagte ihnen, dass die Die ursprüngliche Aminosäure, die ersetzt wurde, muss wichtig sein. Diese Methode ergab fünf bestimmte Aminosäuren, die das umfassen wahrscheinlich aktive Stelle. Bei Software, die Proteinstrukturen vorhersagt wurde die Aminosäuresequenz des Proteins gegeben und sagte, dass diese fünf mussten nahe beieinander sein, es spuckte eine struktur aus, die schien am wahrscheinlichsten.

Und genau wie die Aminosäuresequenz sah die Struktur so aus völlig anders als die einheimischen Enzyme, die die Forscher Ich denke, das Enzym muss einen völlig neuen Mechanismus durchlaufen.

Die Wissenschaftler stellten dieses Enzym her, indem sie keinerlei Rationalität verwendeten Design oder Strategie; Sie bastelten nur mit zufälligem Amino herum Säuresequenzen und Bakterien bestimmen, ob sie was können Sie wollten. In einem völlig erfundenen Fall von Konvergenz Evolution stellten die Forscher ein Protein her, das a nicht teilt Sequenz, Struktur oder sogar Mechanismus mit dem einen Evolutionstreffer auf – und doch erfüllt es die gleiche Funktion. Tausendfach langsamer als das natürliche, aber es könnte besser werden, wenn man ihm mehr Zeit lässt entwickeln.

Nature Chemical Biology, 2018. DOI: 10.1038 / NCHEMBIO.2550 (About DOIs).

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