A atividade da enzima é determinada pela estrutura de uma determinada região de uma proteína chamada de sítio ativo. A geração de sítios ativos completamente novos capazes de catálise enzimática é, discutivelmente, um dos problemas não resolvidos mais fundamentais na biologia molecular.

As abordagens de design racional e moderno para este problema foram desenvolvidas usando métodos computacionais complexos, mas sem resultados conclusivos. De fato, estudos de engenharia de proteínas freqüentemente sugerem que o surgimento de sítios ativos de enzimas completamente novos é altamente improvável.

Há muitos anos, Roy Jensen (atualmente no University of Kansas Medical Center) propôs que as enzimas primordiais eram capazes de catalisar uma diversidade de reações. Com base neste trabalho, uma colaboração multi-institucional de cientistas explorou e testou essas noções usando β-lactamases pré-cambrianas ressuscitadas como andaimes para a engenharia de sítios ativos completamente novos. As β-lactamases pré-cambrianas são proteínas com aproximadamente 3 bilhões de anos. Basicamente, os cientistas trouxeram essas proteínas antigas de volta à vida para que pudessem ser estudadas para entender melhor como surge a complexidade nas espécies.

Como é possível ressuscitar proteínas ancestrais? As proteínas são feitas de várias combinações de blocos de construção de aminoácidos, com uma variedade quase infinita de complexidade e função. Os pesquisadores compilaram grandes bancos de dados de sequências de proteínas. Ao comparar as sequências de hoje entre si dentro de uma estrutura evolutiva, os cientistas podem inferir razoavelmente a sequência de uma proteína ancestral da qual as versões modernas descendem usando modelos de evolução da sequência.

"As propriedades dessas proteínas ancestrais (β-lactamases pré-cambrianas) conferem alta estabilidade estrutural e atividade enzimática promíscua, o que significa que eles são capazes de reagir com uma variedade de substâncias. Essas propriedades apóiam o potencial biotecnológico da ressurreição de proteínas pré-cambrianas, porque tanto a alta estabilidade quanto a promiscuidade aprimorada são características desejáveis ​​em estruturas de proteínas para evolução dirigida por laboratório e projeto molecular, "explica a primeira autora Valeria A. Risso, da Universidade de Granada.

Usando essas proteínas pré-cambrianas ressuscitadas, a equipe demonstrou que um novo sítio ativo pode ser gerado através de uma única substituição de aminoácido hidrofóbico para ionizável que gera um grupo parcialmente enterrado com propriedades físico-químicas perturbadas. "Descobrimos que um design minimalista para introduzir uma atividade de novo (catálise da eliminação de Kemp, uma referência comum no projeto de enzima de novo) falha quando realizada em β-lactamases modernas, mas é altamente bem-sucedido ao usar os andaimes de β-lactamases pré-cambrianas hiperestáveis ​​/ promíscuas, "diz Eric A. Gaucher, do Institute for Bioengineering and Biosciences, Instituto de Tecnologia da Geórgia.

Para seu experimento, a equipe usou três linhas de luz de biologia estrutural no ESRF, o Síncrotron Europeu em Grenoble (França):ID29, ID23-1, e a linha de luz totalmente automatizada "hands-off" MASSIF-1, bem como a linha de luz Xaloc em Alba, o síncrotron espanhol. “A informação estrutural tridimensional derivada dos dados obtidos no ESRF foi fundamental para a interpretação do trabalho, uma vez que levou a uma estrutura de alta resolução do novo sítio ativo e forneceu evidências conclusivas do papel da reorganização da proteína no surgimento da nova função, "explica Jose A. Gavira, autor correspondente, da Universidade de Granada.

Este estudo confirma o potencial da reconstrução ancestral como uma ferramenta para a engenharia de proteínas. "Nós fornecemos evidências experimentais e computacionais de que enzimas ancestrais ressuscitadas em laboratório farão estruturas muito melhores para a engenharia de novas funções devido a seus recursos de alta estabilidade e dinâmica, "diz Jose M. Sanchez-Ruiz.

A combinação inovadora de bioinformática, biologia Computacional, a biologia estrutural e a biofísica permitiram aos pesquisadores mergulhar fundo no tempo evolutivo, e mudar o curso do potencial evolutivo de uma enzima. "Aprender mais sobre a vida primordial, e como pode ser manipulado, vai abrir muitos novos caminhos para a ciência e lançar luz sobre o quebra-cabeça de como sistemas biológicos complexos evoluem no nível molecular mais fundamental, "diz o autor correspondente Lynn Kamerlin do Departamento de Biologia Celular e Molecular, Uppsala University. Este estudo foi publicado em Nature Communications .