“Računalna priča dva enzima” – Istraživanje znanstvenika IRB-a objavljeno u uglednom časopisu JACS

Računalni kemičari Instituta Ruđer Bošković (IRB) u suradnji s kanadskim i australskim kolegama Gregom Sandalom i Leom Radomom, objavili su rad u jednom od najistaknutijih svjetskih časopisa u području kemije – Journal of the American Chemical Society (IF 14.357). Riječ je o radu zanimljivog naslova ”Računalna priča dva enzima: dehidrataza glicerola s ili bez vitamina B12″ čiji su autori Ruđerovci dr. sc. Borislav Kovačević, dr. sc. Danijela Barić, dr. sc. Darko Babić, Luka Bilić, Marko Hanževački i dr. sc. David Smith, a koji u radu objašnjavaju dva različita mehanizma jedne biološki važne reakcije koja bakterijama omogućava dobivanje energije iz alkohola glicerola.

Ekološki doprinos istraživanja

Rezultati istraživanja prikazani u radu značajni su i s ekološkog gledišta. Naime, glicerol se danas uglavnom smatra otpadnom sirovinom koja nastaje pri proizvodnji biodizela i pri raspadanju biomase. Kako bi bio koristan za industriju glicerol se prevodi u aldehid (3-hidroksipropanal) raznim kemijskim postupcima koji stvaraju štetne nusprodukte.

‘-Činjenica da je u ovom radu razjašnjen način kako dvije evolucijski daleke klase enzima kataliziraju pretvorbu glicerola u 3-hidroksipropanal, metabolit i korisnu sirovinu za industriju, postavlja ključne temelje za buduća istraživanja u potrazi za novim katalizatorima i biološki inspiriranim procesima koji bi bili ekološki prihvatljiviji i omogućili kvalitetnije recikliranje i upotrebu glicerola– objašnjava Luka Bilić, doktorand u Grupi za računalne bioznanosti, jedan od autora.

U studiji znanstvenici su proučavali pretvorbu glicerola u odgovarajući aldehid, koja se u bakterijama može odvijati uz pomoć dva različita enzima. Kod oba enzima tijekom katalize stvaraju se slobodni radikali, ali jedan se aktivira uz pomoć vitamina B12 (B12-ovisna glicerol dehidrataza), a drugi, B12-neovisni enzim, reakciju započinje uz pomoć radikala koji sadrži sumpor.

Pretpostavlja se da je B12-neovisna dehidrataza evolucijski starija i da datira još iz doba kada je u atmosferi bilo vrlo malo kisika. Na prvi pogled ta dva nesrodna enzima bitno su različita, ali uvidom u aktivno mjesto, pozornicu na kojoj se odvija kemijska transformacija supstrata glicerola, počinje se nazirati sličnost. S obzirom na uočenu sličnost, nameće se pitanje: odvija li se ova reakcija u oba enzima na jednak način?

Računalne metode rekonstruiraju cjelovite kemijske promjene na potpuno novi način

Kemijski radikali su vrlo reaktivne i kratkoživuće vrste. Stoga je istraživanje radikalskih reakcija eksperimentalnim tehnikama vrlo zahtjevno i često nepotpuno, a ključni detalji kemijske promjene ostaju djelomično u domeni nagađanja i mašte. S druge strane, računalnim metodama moguće je simulirati dinamičku prirodu enzima, ali i detaljno opisati sve stupnjeve kemijske reakcije koji bi inače ostali nepoznati, a uključivanjem dostupnih eksperimentalnih rezultata moguća je rekonstrukcija cjelovite kemijske promjene u novom i potpunom svjetlu.

Koristeći hibridnu računalnu metodu koja kombinira kvantno-mehanički i molekulsko-mehanički pristup, tzv. QM/MM metodu, u ovom radu su detaljno opisani načini kako se odvija pretvorba glicerola u svakom od spomenutih enzima. Aktivno mjesto u kojem se događa kemijska reakcija opisano je uz pomoć QM pristupa, a udaljeniji dijelovi enzima molekulskom mehanikom. Ovako složena metodologija potrebna je za dobar opis kompliciranih biokemijskih reakcija jer uspješno reproducira kemijski okoliš u kojemu se zbiva proučavana promjena.

Pokazano je da reakcijski put u B12-ovisnoj dehidratazi uključuje nekoliko koraka: glicerol prelazi u radikalski međuprodukt, nakon kojeg slijedi pregradnja toga radikala tako da je moguć nastanak aldehidnog radikala praćen izlaskom vode. Kod B12-neovisne dehidrataze pregradnja nije potrebna i eliminacija vode ide direktno s glicerilnog radikala.

Opisana razlika je posljedica neznatno različite kemijske okoline u samom središtu enzima, gdje se analogne aminokiseline važne za katalizu razlikuju tek po protonacijskom stanju. Naime, kada bi kemijski okoliš u aktivnom mjestu B12-ovisne dehidrataze bio takav da omogući direktni izlazak vode iz glicerola, kao što je to slučaj u B12-neovisnoj glicerol dehidratazi, došlo bi do potpune blokade enzima jer bi nastao vrlo stabilan međuprodukt nesposoban za nastavak reakcije. To pokazuje kako se u biološkim procesima često radi o vrlo delikatnoj ravnoteži između produktivne reakcije i katastrofe.

Rezultati studije potvrđeni su i eksperimentom

-Uzbudljiva slučajnost je da je u članku objavljenom u najnovijem broju časopisa Biochemistry (2018, 57 (23), 3222–3226) prikazano eksperimentalno istraživanje napravljeno u laboratoriju dr. Emily Balskus sa Sveučilišta u Harvardu, u kojemu autori, koristeći tehniku izotopnog obilježavanja, proučavaju dehidrataciju diola kataliziranu s dva različita enzima: B12-ovisnom i B12-neovisnom dioldehidratazom. Njihovi rezultati nedvojbeno potvrđuju naše računalno predviđanje- objašnjava dr. sc. Borislav Kovačević, voditelj Grupe za računalne bioznanosti.

Istraživanje je rađeno u sklopu projekta Hrvatske zaklade za znanost ‘Računalna rješenja u bioznanostima: Značaj savitljivosti molekula’ (CompSoLS-MolFlex, IP-11-2013-8238).