شبیهسازیهای مولکولی نشان میدهند که چگونه شکل یک آنزیم، تشخیص مولکولی را هدایت میکند
آنزیم ها اغلب به عنوان ماشین های مولکولی توصیف می شوند که مولکول های خاص را شناسایی و پردازش می کنند. با این حال، آنها ساختارهای سفت و سختی نیستند. شکل آنها می تواند تغییر کند و بر نحوه ورود مولکول ها، تعامل با آنها و باقی ماندن در محل های فعال آنها تأثیر بگذارد.
ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan
این مقاله با توجه به روند و سیاستهای ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:
آنزیم ها اغلب به عنوان ماشین های مولکولی توصیف می شوند که مولکول های خاص را شناسایی و پردازش می کنند. با این حال، آنها ساختارهای سفت و سختی نیستند. شکل آنها می تواند تغییر کند و بر نحوه ورود مولکول ها، تعامل با آنها و باقی ماندن در محل های فعال آنها تأثیر بگذارد.
پیریمیدین-نوکلئوزید فسفوریلاز (PyNP) آنزیمی است که در تولید بلوک های سازنده اسید نوکلئیک نقش دارد. این به طراحی داروهای ضد سرطان، ضد ویروسی و ضد باکتریایی مربوط می شود و همچنین می تواند برای سنتز نوکلئوزیدهای مصنوعی استفاده شود. با این حال، مبنای مولکولی چگونگی تأثیر تغییر شکل آن بر تشخیص مولکولی نامشخص باقی مانده است.
برای بررسی، یک تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور آکیهیکو هاتانو و محقق کوسی تاکشیما از دوره شیمی و بیوتکنولوژی، گروه علوم و شیمی مواد، دانشکده مهندسی، موسسه فناوری شیباورا، ژاپن، بررسی کردند که چگونه اشکال مختلف PyNP از Bacillus subtilis بر حفظ لیگاند تأثیر میگذارد و قند را ترجیح میدهد.
این تیم از شبیهسازی دینامیک مولکولی تمام اتمها در چهار حالت ساختاری، 13 کاوشگر ساختاری و مسیرهای دینامیک مولکولی در مجموع 15.6 میکروثانیه زمان شبیهسازی استفاده کردند. یافته های آنها به صورت آنلاین در مجله ACS Omega منتشر شد.
برای سالها، محققان از این آنزیم برای سنتز نوکلئوزیدهای مصنوعی استفاده میکردند و به این فکر میکردند که چرا تغییر قند میتواند واکنش را تغییر دهد. هاتانو گفت: «ما میخواستیم این سؤال را از منظر حرکات در مقیاس اتمی که آزمایشها به تنهایی نمیتوانند آشکار کنند، درک کنیم. این ما را بر آن داشت تا بررسی کنیم که آنزیم و مولکولهای متصل به آن چگونه در حالتهای ساختاری مختلف رفتار میکنند.
محققان ابتدا بررسی کردند که چگونه جیب سایت فعال آنزیم با حرکت پروتئین بین ترکیبهای مختلف تغییر میکند. آنها دریافتند که جیب بین بسته ترین و بازترین حالت تقریبا 1.4 برابر منبسط می شود.
سپس شبیهسازیها رابطه بین شکل آنزیم و حفظ لیگاند را نشان دادند. در سراسر شبیهسازیها، 75.6 درصد از مسیرها در گروه بسته لیگاندها را در حالت محدود حفظ کردند، در مقایسه با 55.1 درصد در گروه باز، که نشان میدهد شکل آنزیم بر حفظ لیگاند تأثیر میگذارد.
محققان همچنین دریافتند که ترکیبات حاوی ریبوز و 2'-دئوکسی ریبوز ترجیحی جهانی از خود نشان نمی دهند. در عوض، ترجیح قند به هر دو ترکیب فردی و ترکیب آنزیم بستگی داشت.
محققان ساختارهای حلقه قند متمایز را مشاهده کردند: ریبوز ساختار شمالی (C3'-endo) را برای 64.3٪ از زمان نمونه برداری اشغال کرد، در حالی که 2'-deoxyribose ساختار جنوبی (C2'-endo) را برای 57.9٪ اشغال کرد. این تفاوت برای ترکیب جایگزین نشده قویتر بود و با بزرگتر شدن جانشین 6 موقعیت کوچکتر شد.
باقی مانده ای به نام Tyr165 به عنوان یک "درپوش" متحرک بر روی سایت فعال، به ویژه در ساختار مرجع بسته ظاهر شد. حذف این باقیمانده در شبیهسازیهای اضافی، احتباس لیگاند را کاهش داد و از مکانیسم درب پیشنهادی در سطح محاسباتی حمایت کرد. با این حال، قویترین سیگنال Tyr165 عمدتا از یک ساختار بسته متعلق به گونههای مرتبط میآمد، بنابراین تأیید با استفاده از ساختار حالت بسته از B. subtilis هنوز مورد نیاز است.
این یافته ها می تواند ارزش گسترده تری برای تحقیقات دارویی و بیوتکنولوژیکی داشته باشد. PyNP همچنین برای سنتز نوکلئوزیدهای نشاندار شده با فلورسنت و اسیدهای نوکلئیک نشاندار شده با ایزوتوپ پایدار استفاده می شود. درک اینکه چگونه شکل آنزیم بر جذب مولکولی تأثیر می گذارد می تواند به محققان در طراحی بازدارنده ها و مسیرهای سنتز آنزیمی کارآمد کمک کند و در عین حال از تولید سبزتر حمایت کنند.
هاتانو میگوید: «وقتی به شناخت مولکولی فکر میکنیم، آنزیمها نباید به عنوان ساختارهای منفرد و ساکن در نظر گرفته شوند. نتایج ما نشان میدهد که ترکیبهای مختلف میتوانند نحوه حفظ ترکیبات و نحوه ظهور ترجیحات مربوط به قند را تغییر دهند. این مطالعه به محاسبات و آزمایشهای آینده برای تعیین اینکه چگونه این فعل و انفعالات با مراحل شیمیایی مرتبط است، اشاره میکند.
به طور کلی، این مطالعه نشان میدهد که چگونه بررسی ترکیبهای آنزیمی متعدد با شبیهسازیهای مولکولی میتواند رفتار اتصالی را نشان دهد که یک ساختار استاتیک منفرد ممکن است از دست برود.
این کار با نشان دادن اینکه حفظ لیگاند و ترجیح قند به هویت مولکولی و شکل آنزیم بستگی دارد، چارچوبی برای شناخت بستر پویا و مهندسی آنزیم آینده، طراحی بازدارنده و سنتز بیوکاتالیستی پایدار فراهم میکند.
Akihiko Hatano و همکاران، ساختار و وابستگی ترکیب الگوهای احتباس ریبوز/2'-دئوکسی ریبوز در پیریمیدین-نوکلئوزید فسفوریلاز از Bacillus subtilis: یک مطالعه دینامیک مولکولی چهار ساختار، ACS Omega (2026). DOI: 10.1021/acsomega.6c08499
کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →
لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →
متن اصلی (انگلیسی)
Molecular simulations reveal how an enzyme's shape guides molecular recognition
Enzymes are often described as molecular machines that recognize and process specific molecules. However, they are not rigid structures. Their shapes can change, affecting how molecules enter, interact with and remain within their active sites.