Enzimas obtenidas por selección artificial

La primera ley de la evolución dirigida de enzimas (Directed evolution) es: ‘Obtienes lo que buscas’ y se refiere a un concepto simple, si haces cambios aleatorios en un enzima, miles, y buscas si alguna de las variantes realiza una función concreta algo mejor, puedes, repitiendo el proceso lograr cosas nuevas increibles.

New enzymnes by Directed Evolution 5ucw P450 monooxygenase enzyme evolved to p411 amino transferase on iterative random mutagenesis searching for enantiselectivity activity
Enzima p411 artificialmente evolucionada a partir de una enzima p450 monooxigenasa, para cumplir una función de catálisis totalmente diferente. En este caso, la aminación de enlaces C-H bencílicos. La mutación inicial, que está marcada con una chincheta roja en el modelo, cambia la función y las mutaciones siguientes señaladas en naranja, verde y fuxia de los sucesivos ciclos de evolución que mejoran la eficiencia enzimatica y la enantioselectividad.

Es lo que llevan haciendo Frances Arnold, flamante Nobel de 2018 y colaboradores desde que en 1993 cambiaran el enfoque del diseño de nuevas enzimas hacia la evolución por mutación ciega y no dirigida por una mente diseñadora. Han demostrado que mediante las nuevas técnicas de evolución artificial de enzimas pueden lograr nuevos catalizadores para reacciones que interesan a la industria y que no cubre la naturaleza o que pueden operar en condiciones exigentes, muy distintas a las naturales.

Empezaron por buscar la estabilidad de una enzima a un solvente orgánico. Mediante mutación de la secuencia del enzima por PCR * propensa a errores y su expresión en muchas bacterias y aplicando la 1º ley encontraron cuatro variantes con funcionamiento en el solvente. Una vez encontradas la posibles soluciones se pueden iniciar la mejora. Ésta produce con sucesivas tandas de mutación o mediante recombinación del DNA resultante de las variantes mejoradas. El aumento buscado puede ser en velocidad, pero también en otros aspectos como la enantio selectividad, resistencia a temperatura y disolvente o en otros aspectos.

Las evoluciones dirigidas que más éxito les han aportado han sido a partir de una enzima maravillosa, la citocromo p450, que ha resultado tener mucho más posibilidades de las que ya tiene. Esta proteína, que cataliza la adición de grupos hidroxilo (OH) a enlaces C-H a partir de oxígeno molecular O2 con el fin de solubilizar muchos metabolitos insolubles en agua, es de por sí bastante adaptable. Mediante mutaciones y selecciones recurrentes han sido capaces de elegir variantes sin su capacidad monooxigenasa pero con capacidad de aminar enlaces C-H o como en su última publicación, de alquilarlos y un largo etcétera.  

Evolución dirigida de enzimas. Enfoques aplicados para producir mejoras en enzimas para obtener enzimas con nuevas funciones desconocidas en el ámbito de la biología.

Muchas de las reacciones que se pueden realizar mediante enzimas de ingeniería, antes solo era posible realizarlas con catalizadores basados en metales preciosos como Rodio, Iridio, platino, etc. Estas enzimas tienen un añadido además a su menor costo de producción y es que muchas de las reacciones difíciles necesitan se enantioselectivas y esa es un gran capacidad las proteínas. Son capaces de distinguir las distintas variantes geométricas de un mismo compuesto y obtener o distinguir una sola de ellas. Lo que en sí ya es una ventaja.

Empezamos las andadura del blog Flagellum con la entrada sobre la mutación del gen de la lactasa en humanos de hace 11 años y continuamos este 31 de Agosto con algo de evolución dirigida en laboratorio que ha servido para hacernos también la vida más fácil. Las enzimas de ingeniería por evolución dirigida están presentes por ejemplo, en nuestros detergentes para funcionar a menor temperatura o en fabricación de fármacos más baratos y ecológicos.

REFERENCIAS

Enantioselective, intermolecular benzylic C–H amination catalysed by an engineered iron-haem enzyme. Christopher K. Prier, Ruijie K. Zhang, Andrew R. Buller, Sabine Brinkmann-Chen & Frances H. Arnold. Nature Chemistry volume 9, pages 629–634 (2017)

Enzymatic assembly of carbon–carbon bonds via iron-catalysed sp3 C–H functionalization. Ruijie K. Zhang, Kai Chen, Xiongyi Huang, Lena Wohlschlager, Hans Renata & Frances H. Arnold. Nature volume 565, pages67–72 (2019)

Enantioselective Enzyme-Catalyzed Aziridination Enabled by Active-Site Evolution of a Cytochrome P450. Christopher C. FarwellRuijie K. ZhangJohn A. McIntoshTodd K. HysterFrances H. Arnold


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