Анализ 400 миллионов лет эволюции ферментов
Исследователи из Charité — Universitätsmedizin Berlin с помощью искусственного интеллекта AlphaFold2 проанализировали законы эволюции ферментов в крупном масштабе. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Ключевые выводы исследования
Ферменты эволюционируют по определённым правилам:
- Изменяются быстрее на своей поверхности.
- Практически не меняются в активном центре (месте протекания химической реакции).
- Области, связывающие другие молекулы для выполнения функции, также консервативны по форме.
Вывод: Дальнейшее развитие ферментов происходит в основном в областях, не влияющих на химические реакции. Метаболизм играет ключевую роль в эволюции структуры фермента.
Методология
Для решения задачи потребовалось сравнение трёхмерной формы множества ферментов. Экспериментальное определение 3D-структуры одного фермента может занимать месяцы.
Решение: Использование AI-модели AlphaFold2, которая предсказывает 3D-структуру по аминокислотной последовательности с высокой точностью.
- За несколько месяцев рассчитана структура почти 10 000 ферментов.
- Для вычислений использовался суперкомпьютер Berzelius (300 петафлопс) в Швеции.
- Проанализированы сходства и различия почти 11 300 ферментов (расчётные + ~1300 публично доступных структур от AlphaFold2).
Объект исследования: Ферменты из 27 видов дрожжей (одноклеточных грибов, например, пекарских), эволюционировавших в течение 400 миллионов лет. Выбор обусловлен наиболее полными доступными данными.
Практическая значимость
Результаты актуальны для:
Оптимизации биотехнологических процессов.
Разработки новых лекарств, особенно антибиотиков.
Пример с антибиотиками: Устойчивость бактерий часто возникает из-за быстрой эволюции их ферментов, на которые нацелен препарат. Данные исследования позволяют идентифицировать малоизменяемые части ферментов. Антибиотики, нацеленные на эти области, потенциально могут сохранять эффективность дольше. Этот же принцип применим к противоопухолевым препаратам, нацеленным на ферменты опухоли.