Un avance decisivo en el diseño de enzimas a medida

Las enzimas son catalizadores biológicos que aceleran las reacciones y las llevan a cabo con un alto grado de especificidad. Las enzimas suelen ser proteínas. Con el paso del tiempo, la evolución ha dado lugar a una amplia variedad de pliegues proteicos para las enzimas: cuando se forma una proteína, inicialmente se produce una larga cadena de aminoácidos, que luego se pliega adoptando una estructura tridimensional definida. Es precisamente esta estructura la que determina cómo funciona la enzima. El denominado pliegue de barril TIM desempeña un papel destacado. Se encuentra en alrededor del 10 % de todas las enzimas conocidas y es capaz de facilitar casi todo tipo de reacciones.

Aunque ya se han diseñado por ordenador barriles TIM artificiales y se han confirmado experimentalmente, estas denominadas proteínas «de novo», a diferencia de sus homólogas naturales, no poseían actividad enzimática alguna; simplemente presentaban la misma estructura. Esto hacía que las proteínas fueran inservibles para su aplicación en reacciones biológicas. Un equipo de investigación dirigido por la Prof. Dra. Birte Höcker, catedrática de Bioquímica III en la Universidad de Bayreuth, ha abordado este problema en colaboración con el grupo de investigación del Prof. Dr. Roberto Chica de la Universidad de Ottawa. Mediante un nuevo flujo de trabajo denominado CANVAS, los investigadores han transformado los andamios no funcionales en enzimas activas.

«En nuestro estudio, combinamos diversos métodos informáticos. Esto nos permitió ampliar específicamente los barriles TIM artificiales para incluir un sitio activo diseñado a medida», afirma el Dr. Julian Beck, autor principal del estudio e investigador asistente en el grupo de investigación de Bioquímica III de la Universidad de Bayreuth. Este sitio activo recién insertado confiere una actividad medible excepcionalmente alta a las enzimas que antes no eran funcionales.

«Elegimos la eliminación de Kemp como reacción de prueba para las nuevas enzimas, una reacción clásica no natural en el diseño de proteínas que es fácil de medir», explica Höcker. En una sola ronda de diseño, los investigadores lograron una actividad excepcionalmente alta con la enzima modificada KempTIM1: La eficiencia catalítica —que describe lo «buena» que es una enzima— ya era siete veces mayor en el caso de KempTIM1 que en el de enzimas comparables de otras publicaciones recientes, sin necesidad de ninguna optimización experimental adicional. Las etapas de optimización posteriores han dado lugar a una nueva variante denominada KempTIM4b, cuya actividad supera incluso a la de KempTIM1.

«En general, nuestra investigación demuestra que es posible utilizar proteínas de novo como punto de partida para nuevas enzimas, ampliando así el repertorio existente de enzimas disponibles. Esto abre nuevas posibilidades en biotecnología y química verde, al permitir el diseño de nuevas proteínas a medida para reacciones específicas», afirmó Beck.