Τα ένζυμα είναι κάτι σαν μικροσκοπικοί χημικοί της φύσης: τα νανομετρικά μόρια πρωτεΐνης εξασφαλίζουν τη διεξαγωγή των χημικών αντιδράσεων σε κάθε κύτταρο κάθε οργανισμού.

Αν και περνούν απαρατήρητα από τους περισσότερους, τα ένζυμα καθορίζουν τη ζωή μας: είναι αυτά που καθιστούν δυνατή την πέψη των τροφών, τόσο για εμάς όσο και για τους μικροοργανισμούς.

Χωρίς αυτά δεν θα υπήρχε ψωμί, μπύρα ή τυρί. Χρησιμοποιούνται επίσης στη βιομηχανία, για παράδειγμα στην παραγωγή φαρμάκων ή απορρυπαντικών. Επιπλέον, τα ένζυμα διαδραματίζουν κεντρικό ρόλο στην αποτελεσματικότητα και τον μηχανισμό δράσης πολλών φαρμάκων.

"Θέλαμε να κατανοήσουμε τους κανόνες σύμφωνα με τους οποίους τα ένζυμα αλλάζουν τη χωρική τους μορφή με την πάροδο του χρόνου", εξηγεί ο επικεφαλής της μελέτης, καθηγητής Markus Ralser, διευθυντής του Ινστιτούτου Βιοχημείας στο νοσοκομείο του Βερολίνου Charité.

"Γιατί αν γνωρίζουμε αυτούς τους κανόνες, μπορούμε, για παράδειγμα, να προβλέψουμε πού και πώς ένα βακτήριο θα γίνει ανθεκτικό σε ένα αντιβιοτικό".

Πολλά αντιβιοτικά και αντιμυκητιασικά φάρμακα στοχεύουν σε συγκεκριμένα ένζυμα των παθογόνων. Αν αυτά αλλάξουν τη μορφή τους ακριβώς στο σημείο όπου συνδέεται η αντίστοιχη δραστική ουσία, το φάρμακο χάνει την αποτελεσματικότητά του.

Το ίδιο ισχύει και για πολλά άλλα φάρμακα. Πολλά φάρμακα κατά του καρκίνου στοχεύουν σε ένζυμα του όγκου, τα οποία μπορούν να αλλάξουν τη μορφή τους κατά τη διάρκεια της θεραπείας, καθιστώντας το φάρμακο αναποτελεσματικό.

Ωστόσο, ο προσδιορισμός των αρχών της εξέλιξης των ενζύμων είναι ευκολότερος στην θεωρία παρά στην πράξη.

Απαιτείται σύγκριση της τρισδιάστατης μορφής αμέτρητων ενζύμων.

Ωστόσο, αυτές οι πληροφορίες δεν ήταν γνωστές για πολλά ένζυμα, καθώς ο πειραματικός προσδιορισμός της τρισδιάστατης δομής ενός μόνο ενζύμου είναι πολύπλοκος και μπορεί να διαρκέσει αρκετούς μήνες. "Αντ' αυτού, υπολογίσαμε τη μορφή σχεδόν 10.000 ενζύμων σε λίγους μήνες με το AlphaFold2", λέει ο Markus Ralser.

Το AlphaFold2 είναι ένα μοντέλο τεχνητής νοημοσύνης που, με βάση μόνο την αμινοξική αλληλουχία, δηλαδή τη χημική σύνθεση ενός ενζύμου, υπολογίζει πώς θα πρέπει να είναι η τρισδιάστατη δομή του – και έχει αποδείξει πολύ υψηλή ακρίβεια.

Το AlphaFold2 είχε ήδη γιορταστεί παγκοσμίως ως μια σημαντική καινοτομία το 2020. Μόλις τέσσερα χρόνια αργότερα, πέρυσι, οι δημιουργοί του μοντέλου τεχνητής νοημοσύνης έλαβαν το Νόμπελ Χημείας.

Για να λειτουργήσει το AlphaFold2, απαιτείται υπολογιστική ισχύς – και μάλιστα πολύ μεγάλη. "Για τους υπολογισμούς μας χρησιμοποιήσαμε τον υπερυπολογιστή Berzelius στη Σουηδία", λέει ο Δρ Oliver Lemke, επιστήμονας στο εργαστήριο του Markus Ralser και ένας από τους δύο πρώτους συγγραφείς της εργασίας.

Ο υπολογιστής 300 πεταφλόπς λειτουργεί από το Εθνικό Κέντρο Υπερυπολογιστών του Πανεπιστημίου Linköping και είναι διαθέσιμος σε διεθνείς ερευνητικές ομάδες κατόπιν αιτήματος.

Στο Charité, οι ερευνητές ανέλυσαν τελικά τις ομοιότητες και τις διαφορές συνολικά 11.300 ενζύμων και τις εξέτασαν στο πλαίσιο των μεταβολικών αντιδράσεων για τις οποίες είναι υπεύθυνα. Εκτός από τις περίπου 10.000 τρισδιάστατες δομές που υπολόγισαν οι ίδιοι, έλαβαν υπόψη περίπου 1.300 τρισδιάστατες δομές που είχαν ήδη προβλεφθεί και δημοσιευθεί με το AlphaFold2.

Η ομάδα επικεντρώθηκε στην εργασία της σε ένζυμα από ζύμες, δηλαδή μονοκύτταρους μύκητες, στους οποίους ανήκει, για παράδειγμα, η μαγιά.

Ο Δρ Benjamin Heineike, ο δεύτερος πρώτος συγγραφέας της μελέτης από το εργαστήριο Ralser, εξηγεί: "Οι ζύμες είναι από τους πιο μελετημένους οργανισμούς. Είτε όσον αφορά τα γονίδια των ενζύμων είτε το μεταβολισμό, διαθέταμε τα πιο ολοκληρωμένα δεδομένα για αυτούς". Τα ένζυμα που μελετήθηκαν προέρχονταν από 27 διαφορετικά είδη ζύμης, τα οποία εξελίχθηκαν σε μια περίοδο 400 εκατομμυρίων ετών.

Η ερευνητική ομάδα ανακάλυψε αμέσως αρκετούς νόμους σύμφωνα με τους οποίους εξελίσσονται τα ένζυμα. Για παράδειγμα, αλλάζουν πιο γρήγορα στην επιφάνειά τους παρά στο εσωτερικό τους. Αντίθετα, το λεγόμενο ενεργό κέντρο τους – δηλαδή το σημείο όπου λαμβάνει χώρα η χημική αντίδραση – δεν αλλάζει σχεδόν καθόλου, ακόμη και μετά από μεγάλο χρονικό διάστημα.

Όταν το ένζυμο πρέπει να συνδέσει άλλα μόρια στην επιφάνειά του για να εκπληρώσει τη λειτουργία του, οι περιοχές αυτές παραμένουν επίσης σταθερές στη μορφή τους. "Συνοψίζοντας, μπορούμε να πούμε ότι τα ένζυμα εξελίσσονται κυρίως σε σημεία που δεν επηρεάζουν τις χημικές αντιδράσεις", εξηγεί ο Markus Ralser. "Ο μεταβολισμός ο ίδιος καθορίζει λοιπόν σε μεγάλο βαθμό την εξέλιξη της δομής των ενζύμων".

Τα αποτελέσματα της μελέτης είναι σημαντικά, για παράδειγμα, για τη βελτιστοποίηση των βιοτεχνολογικών διαδικασιών, αλλά και για την ανάπτυξη νέων δραστικών ουσιών.

Για να επιστρέψουμε στο παράδειγμα των αντιβιοτικών: "Όταν ένα νέο αντιβιοτικό κυκλοφορεί στην αγορά, μερικές φορές χρειάζεται μόνο λίγος χρόνος μέχρι να εμφανιστούν οι πρώτες ανθεκτικότητες", λέει ο Markus Ralser. "Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα βακτηριακά ένζυμα, κατά των οποίων στρέφονται οι δραστικές ουσίες, εξελίσσονται με ταχύ ρυθμό. Με τα δεδομένα μας, είναι δυνατό να προσδιοριστούν οι περιοχές των ενζύμων που δεν αναμένεται να υποστούν σημαντικές αλλαγές.

Νέα αντιβιοτικά που επιτίθενται ακριβώς σε αυτές τις περιοχές θα μπορούσαν ενδεχομένως να διατηρήσουν την αποτελεσματικότητά τους για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα".

Πηγές:
Πανεπιστημιακό νοσοκομείο "Charité"

Ειδήσεις υγείας σήμερα
Ι. Βαρδακαστάνης: Το αναπηρικό κίνημα συνεχίζει να αγωνίζεται και να διεκδικεί
Ενδυνάμωση των ασθενών: Καμπάνια ευαισθητοποίησης για την ενίσχυση υιοθέτησης της περιτοναϊκής κάθαρσης στην Ελλάδα
Πνευμονία: Βακτηριακό ένζυμο είναι πιθανό να προκαλεί μοιραίες καρδιακές επιπλοκές [μελέτη]