Uma enzima (branca) criada por uma abordagem computacional embala o substrato (vermelho, amarelo e azul) em seu bolso no local ativo.Crédito: Dina Listov
Os algoritmos de computador projetaram enzimas sintéticas altamente eficientes do zero, com uma necessidade mínima de experiências práticas tediosas para aperfeiçoá-las. As enzimas resultantes catalisam uma reação química que nenhuma proteína natural conhecida pode executar, alcançando uma taxa de reação e eficiência semelhantes às enzimas que ocorrem naturalmente.
As proteínas, descritas em 18 de junho em Natureza1Abra a porta para uma época em que as enzimas sob medida podem ser projetadas rapidamente para facilitar uma variedade de reações.
“Eles são notáveis”, diz Sílvia Osuna, química computacional da Universidade de Girona, na Espanha, que não estava envolvida no estudo. “É muito difícil projetar computacionalmente uma enzima altamente eficiente”.
Enzimas simplificadas
A capacidade de construir enzimas sintéticas pode levar a novas maneiras de fabricar medicamentos e produtos químicos industriais. Mas as tentativas de usar algoritmos de computador para projetar essas enzimas produziram catalisadores ineficientes que os pesquisadores devem melhorar posteriormente no laboratório – uma abordagem que “é muito trabalhosa”, diz Sarel Fleishman, que estuda o design de proteínas computacionais no Instituto de Ciência Weizmann em Rehovot, Israel.
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Fleishman e seus colegas procuraram uma abordagem melhor. Como caso de teste, eles decidiram construir um catalisador para uma reação química não natural chamada de eliminação de KEMP, que envolve a remoção de um próton de um átomo de carbono em certos substratos.
A equipe montou dados sobre um grupo de enzimas naturais para servir como ponto de partida e abriu computacionalmente essas seqüências de proteínas em fragmentos. Os fragmentos foram então embaralhados e recombinados em uma matriz de todas as combinações possíveis.
Os pesquisadores alimentavam essas combinações em seus algoritmos de computador. Esses modelos usados de como os átomos nas proteínas se comportam para prever quais dessas combinações serviriam como o ‘backbone’ químico ideal para a nova enzima.
Algoritmo com intuição
A equipe também ajustou o local ativo da enzima, onde a catálise química ocorre. Durante anos, os cientistas assumiram que era fundamental ter um aminoácido em forma de anel em uma posição-chave perto desse local. Mas Fleishman e seus colegas pediram ao algoritmo para prever o que aconteceria se outros aminoácidos fossem colocados lá.
O programa favoreceu um aminoácido não aninhado naquele local. Com essa mudança, a eficiência da enzima disparou no telhado, diz Fleishman: “Fiquei chocado”.
No final, a enzima mais eficiente que a equipe projetou diferiu de seus primos que ocorrem naturalmente mais próximos em mais de 140 aminoácidos. Também foi 100 vezes mais eficiente do que as enzimas semelhantes previamente projetadas usando a inteligência artificial (IA).
