Enzymaktivitet bestäms av strukturen av en viss region av ett protein som kallas det aktiva stället. Genereringen av helt nya aktiva platser som kan enzymkatalys är, det kan argumenteras att, ett av de mest grundläggande olösta problemen inom molekylärbiologin.

Rationella och moderna designmetoder för detta problem har utvecklats med hjälp av komplexa beräkningsmetoder, men utan avgörande resultat. Verkligen, proteintekniska studier tyder ofta på att uppkomsten av helt nya enzymaktiva ställen är högst osannolikt.

Många år sedan, Roy Jensen (för närvarande vid University of Kansas Medical Center) föreslog att primordiala enzymer kunde katalysera en mängd olika reaktioner. Baserat på detta arbete, ett multi-institutionellt samarbete av forskare utforskade och testade dessa föreställningar med hjälp av återuppståndna prekambriska β-laktamaser som byggnadsställningar för konstruktion av helt nya aktiva platser. Prekambriska β-laktamaser är proteiner som är cirka 3 miljarder år gamla. I grund och botten, forskarna väckte dessa uråldriga proteiner till liv igen så att de kan studeras för att bättre förstå hur komplexitet hos arter uppstår.

Hur är det möjligt att återuppliva förfäders proteiner? Proteiner är gjorda av olika kombinationer av aminosyrabyggstenar, med en nästan oändlig variation av komplexitet och funktion. Forskare har sammanställt stora databaser med proteinsekvenser. Genom att jämföra dagens sekvenser med varandra inom en evolutionär ram, forskare kan rimligen sluta sig till sekvensen av ett förfädersprotein som de moderna versionerna härstammar från med hjälp av modeller för sekvensutveckling.

"Egenskaperna hos dessa förfäders proteiner (prekambriska β-laktamaser) ger hög strukturell stabilitet och promiskuös enzymatisk aktivitet, vilket innebär att de kan reagera med en mängd olika ämnen. Dessa egenskaper stödjer den biotekniska potentialen för återuppståndelse av prekambriskt protein eftersom både hög stabilitet och ökad promiskuitet är önskvärda egenskaper i proteinställningar för laboratoriestyrd evolution och molekylär design, " förklarar förstaförfattaren Valeria A. Risso från universitetet i Granada.

Genom att använda dessa återuppståndna prekambriska proteiner, teamet visade att en ny aktiv plats kan genereras genom en enda hydrofob-till-joniserbar aminosyraersättning som genererar en delvis nedgrävd grupp med störda fysikalisk-kemiska egenskaper. "Vi har funnit att en minimalistisk design för att introducera en de novo-aktivitet (katalys av Kemp-elimineringen, ett vanligt riktmärke i de novo enzymdesign) misslyckas när det utförs på moderna β-laktamaser, men är mycket framgångsrik när man använder ställningar av hyperstabila/promiskuösa prekambriska β-laktamaser, " säger Eric A. Gaucher från Institutet för bioteknik och biovetenskap, Georgia Institute of Technology.

För deras experiment, teamet använde tre strukturella biologistrållinjer vid ESRF, den europeiska synkrotronen i Grenoble (Frankrike):ID29, ID23-1, och den helautomatiska "hands-off" strållinjen MASSIF-1, samt Xaloc beamline vid Alba, den spanska synkrotronen. "Tredimensionell strukturell information härledd från data som erhållits vid ESRF var avgörande för tolkningen av arbetet, eftersom det ledde till en högupplöst struktur för den nya aktiva platsen och gav avgörande bevis på rollen av proteinomorganisation i uppkomsten av den nya funktionen, " förklarar Jose A. Gavira, motsvarande författare, från universitetet i Granada.

Denna studie bekräftar potentialen för förfäders rekonstruktion som ett verktyg för proteinteknik. "Vi tillhandahåller experimentella och beräkningsbevis för att laboratorieuppståndna förfädersenzymer kommer att göra mycket bättre byggnadsställningar för ny funktionsteknik på grund av dess höga stabilitets- och dynamikegenskaper, " säger Jose M. Sanchez-Ruiz.

Den innovativa kombinationen av bioinformatik, beräkningsbiologi, strukturbiologi och biofysik gjorde det möjligt för forskare att gräva djupt i evolutionär tid, och ändra förloppet av ett enzyms evolutionära potential. "Lär dig mer om urlivet, och hur det kan manipuleras, kommer att öppna upp många nya vägar för vetenskap och belysa pusslet om hur komplexa biologiska system utvecklas på den mest grundläggande molekylära nivån, " säger motsvarande författare Lynn Kamerlin från institutionen för cell- och molekylärbiologi, Uppsala universitet. Denna studie publicerades i Naturkommunikation .