چگونه آنزیم های گیاهی یاد گرفتند که مولکول های آینه ای را از هم جدا کنند

توسط کریستین ژوان مولر، دانشگاه آزاد برلین

ویرایش شده توسط Swati Mestri، 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:

بسیاری از مولکول‌های طبیعی مانند منتول یا لیمونن به دو شکل آینه‌ای وجود دارند که به نام انانتیومر شناخته می‌شوند، که تقریبا یکسان به نظر می‌رسند، اما می‌توانند از نظر بو، مزه یا تأثیر بر بدن بسیار متفاوت باشند.

آنزیم ها اغلب می توانند با دقت قابل توجهی بین آنها تمایز قائل شوند، به همین دلیل است که آنها برای صنایع شیمیایی و دارویی بسیار ارزشمند هستند. چگونگی تکامل طبیعی این دقت تا حد زیادی ناشناخته مانده است.

تیمی به رهبری محققان دانشگاه فری برلین، دانشگاه فناوری گراتس و موسسه فناوری جورجیا اکنون یکی از این مسیرهای تکاملی را بازسازی کرده اند.

این مطالعه با عنوان "رمزگشایی منشأ تکاملی انانتیو انتخابی دهیدروژنازهای با زنجیره کوتاه از گیاهان به سمت 1-بورنئول" در Nature Communications منتشر شده است.

آنزیم‌ها کاتالیزورهای بیولوژیکی هستند - معمولا پروتئین‌ها - که واکنش‌های شیمیایی را تسریع می‌کنند. ساختار آنها تعیین می کند که کدام مولکول ها به آنها و همچنین سرعت واکنش های بیوشیمیایی متصل می شوند. این امر آنزیم ها را در بیوتکنولوژی بسیار ارزشمند می کند، زیرا از خواص آنها می توان برای انجام واکنش های شیمیایی خاص استفاده کرد.

تیم تحقیقاتی بین المللی به سرپرستی دکتر برنهارد لول از دپارتمان زیست شناسی، شیمی، داروسازی در دانشگاه فرای برلین، پروفسور رابرت کوریست از دانشگاه فناوری گراتس اتریش و پروفسور لین کامرلین از موسسه فناوری جورجیا، ایالات متحده، گروهی از آنزیم های گیاهی به نام بورنئول دهیدروژنازها را مورد مطالعه قرار دادند. اینها بورنئول الکل را در یک واکنش شیمیایی به کافور تبدیل می کنند.

بورنئول به دو شکل آینه ای به نام انانتیومر وجود دارد که با دست چپ و راست دست قابل مقایسه هستند. برخی از آنزیم ها به شدت تشکیل یک شکل را بر دیگری ترجیح می دهند، در حالی که برخی دیگر به سختی بین بورنئول و ایزوبورنئول تمایز قائل می شوند.

ما توانستیم نشان دهیم که چگونه واکنش‌های مختلف به دو شکل مختلف بورنئول در طول تکامل آنزیم‌ها ایجاد شد. آنچه در اینجا بسیار مهم بود تغییرات ساختاری عمده در آنزیم نبود، بلکه تأثیر متقابل بسیاری از تغییرات کوچک بود که بر پویایی آنزیم و مولکول متصل شده تأثیر گذاشت.

لول از دانشگاه Freie Universität برلین، یکی از نویسندگان این مطالعه، توضیح می‌دهد: «این به ما نشانه‌های مهمی در مورد اینکه چگونه آنزیم‌ها می‌توانند به طور خاص برای کاربردهای بیوتکنولوژیکی در آینده مهندسی شوند، ارائه می‌کند.

محققان می خواستند دریابند که چگونه این تفاوت با تکامل این آنزیم ها پدیدار شد. با استفاده از بازسازی توالی اجدادی، تیم به صورت محاسباتی توالی آنزیم های باستانی را از درخت خانواده بورنئول دهیدروژناز از 97 توالی گیاهی استنباط کرد، آنها را در آزمایشگاه تکثیر کرد و آنها را مقایسه کرد.

قدیمی ترین اجداد غیرانتخابی، N30، با جد جوان تر، N32 مقایسه شد که بسیار انتخابی است. بین آنها، 19 جهش در اسیدهای آمینه منفرد - بلوک های سازنده پروتئین ها - وجود داشت که تنها یکی از آنها در محل فعال آنزیم، جایی که واکنش شیمیایی انجام می شود، قرار داشت.

معرفی این جهش به جد غیرانتخابی، گزینش پذیری آن را برای دو شکل بورنئول دو برابر کرد و معکوس کردن آن در جد انتخابی باعث شد آن آنزیم ترجیح خود را از دست بدهد.

با این حال، این تغییر به تنهایی برای توضیح گزینش پذیری کافی نبود. تنها در ترکیب با سه جهش اضافی دور از محل فعال، جد N30 برای یکی از دو شکل بورنئول بسیار انتخابی شد. این بدان معناست که محققان توانستند نشان دهند که حتی نواحی محیطی آنزیم می توانند بر واکنش شیمیایی در محل کاتالیزوری تأثیر بگذارند.

آنزیم های بازسازی شده در ابتدا هیچ تفاوت ساختاری آشکاری که گزینش پذیری را توضیح دهد، نشان ندادند. با این حال، شبیه‌سازی‌های محاسباتی نشان داد که هر دو فرم بورنئول در مجتمع آنزیم-سوبسترا متفاوت رفتار می‌کنند.

شکلی که با آنزیم بهتر واکنش نشان می‌داد، برای مدت طولانی‌تری در یک موقعیت مولد کاتالیزوری باقی می‌ماند، در حالی که شکل دیگر کمتر محکم نگه داشته می‌شد و بیشتر در معرض آبی بود که در آن حل شده بود.

نتایج نشان می دهد که چگونه واکنش های مختلف به دو شکل مختلف بورنئول در طول تکامل آنزیم ایجاد شده است. با استفاده از مثال آنزیمی که تفاوت چندانی بین این دو شکل قائل نبود، می‌توان نشان داد که تغییرات در مناطق متعدد پروتئین باعث می‌شود که یک شکل به شدت بر دیگری ترجیح داده شود.

بورنئول و ایزوبورنئول شکل آینه ای آن را می توان به عنوان مخلوطی از α-پینن، یک ماده خام ارزان قیمت زیستی، به دست آورد. آنزیم‌هایی که انتخاب‌پذیری بیشتری برای یکی از این دو شکل نشان می‌دهند، می‌توانند به تولید اشکال مولکولی منفرد برای استفاده در داروها، لوازم آرایشی و عطرها یا جدا کردن آنها از مخلوط‌ها کمک کنند.

یافته‌ها نشان می‌دهد که مهندسی آنزیم باید فراتر از محل فعال نگاه کند، زیرا تغییرات در مناطق پیرامونی می‌تواند انتخاب‌پذیری را به‌خوبی تنظیم کند و ممکن است توسط استراتژی‌های طراحی مرسوم نادیده گرفته شود.

جاسمین زوسون و همکاران، رمزگشایی منشأ تکاملی انانتیو گزینش‌پذیری دهیدروژنازهای زنجیره کوتاه از گیاهان به سمت 1-بورنئول، Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-76435-1

سواتی مستری دارای مدرک لیسانس در مهندسی الکترونیک است و از سال 2019 به عنوان ویرایشگر محتوا کار کرده است. او ویرایش اسناد تحقیقاتی در زمینه فناوری، مراقبت های بهداشتی و علم مواد را تجربه کرده است و علاقه خاصی به فناوری و فضا دارد. 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 →