Ett forskarlag vid Uppsala universitet har återupplivat flera miljarder år gamla enzymer och omprogrammerat dem för att katalysera helt andra kemiska reaktioner än vad deras moderna versioner klarar av. Metoden kan användas för att utveckla hållbara lösningar inom bioteknik, såsom för enzymbioreaktorer eller för att kemiskt bryta ned miljögifter. Studien har publicerats i Kemivetenskap .

"Vi använder mjukvara för att simulera miljarder år av evolution, och vi kunde faktiskt utveckla ett effektivt enzym som kan katalysera en helt ny reaktion. Det är otroligt spännande, " säger Lynn Kamerlin, som leder forskargruppen vid Uppsala universitet.

Enzymer har förmågan att katalysera, dvs påskynda, utmanande kemiska reaktioner från miljontals år till en bråkdel av en sekund utan att själva konsumeras. De är också biologiskt nedbrytbara och har ett minimalt koldioxidavtryck. De flesta enzymer är katalysatorer för en specifik kemisk reaktion, som fyller en viktig funktion i biologiska processer, till exempel i våra kroppar.

Inom bioteknik, intensivt arbete pågår för att utveckla nya enzymer som kan katalysera ovanliga reaktioner för grön kemi, hållbar katalys och kemisk nedbrytning av miljögiftiga ämnen.

Forskargruppen vid Uppsala universitet har arbetat med kollegor vid Universidad de Granada i Spanien för att återuppliva förfäders enzymer, först på en dator, och sedan i laboratoriet. De primitiva enzymerna har många egenskaper som är önskvärda inom bioteknik. De tål extrema temperaturer och de är strukturellt mer flexibla, vilket gör dem lättare att modifiera än deras moderna motsvarigheter.

Forskarna lyckades återanvända antika antibiotikanedbrytande enzymer för att katalysera en helt ny icke-naturlig reaktion. Men även om de återanvända enzymerna påskyndade reaktionen avsevärt, det var mycket långsammare än de flesta naturligt förekommande enzymer.

Därför, för att förbättra enzymets effektivitet, forskarna använde kraftfulla datorer för att beräkna vilka förändringar i strukturen som skulle resultera i en snabbare reaktion. De använde en ny metod som heter FuncLib, som använder en kombination av evolutionär information och beräkningar av proteinstabilitet, för att förutsäga mer effektiva enzymvarianter.

Totalt 3, 000 potentiella nya enzymvarianter förutspåddes av FuncLib och de 20 mest lovande av dessa testades i labbet. Av dessa, fyra var mycket snabbare än det ursprungliga enzymet. Det bästa var lika effektivt som det genomsnittliga moderna, naturligt förekommande enzymer.

"Vår studie visar att det är möjligt att designa nya, effektiva enzymer för en mer hållbar framtid, säger Lynn Kamerlin.