Imitare l'evoluzione per creare nuovi enzimi

Imitare l'evoluzione per creare nuovi enzimi

La ricerca di catalizzatori biologici di grande specificità, adatti a molteplici applicazioni industriali, prende spunto dalle raffinate scelte di processi evolutivi durati miliardi di anni.

La varietà di forme e funzioni della natura è affascinante per chi studia la materia vivente a livello molecolare.

Gli enzimi sono dei catalizzatori che rendono possibili ed estremamente specifiche tutte le reazioni base del metabolismo umano. I cosiddetti programmi di sequenziamento di genomi, stanno fornendo un impressionante mole di dati riguardo all'informazione genetica contenuta in diversi organismi, svelando l'esistenza di enzimi finora mai descritti.

Accanto all'enorme numero di reazioni catalizzate, è la specificità con cui queste si realizzano. Migliaia di reazioni diverse, perfettamente coordinate e regolate in modo da non interferire l'una con l'altra. Gli enzimi presentano diverse caratteristiche d'interesse: la versatilità, la specificità, la capacità di regolare la loro attività in base a segnali di varia natura.

Durante questo processo, durato miliardi di anni, si sono affermate attività enzimatiche ottimali (organismi estremofili), ad esempio batteri che vivono nei geyser o in sorgenti termali, dove la temperatura può raggiungere i 100 °C, o, viceversa, batteri che vivono nel mar Artico.

E' noto che le proteine sono macchine estremamente delicate e in condizioni non ottimali di temperatura, concentrazione salina e pH, perdono facilmente la loro attività.

Gli organismi estremofili si difendono grazie ad enzimi più resistenti, che sono tuttora materia di studio. Gli enzimi sono uno degli strumenti chiave delle biotecnologie e vengono ampiamente utilizzati in tutti i campi: l'industria chimica, farmaceutica, alimentare, la protezione ambientale. In questi settori l'esigenza di sostituire processi di notevole impatto ambientale e a minor dispendio energetico, la capacità degli enzimi di operare in condizioni blande di pH, temperatura o pressione atmosferica, appare quanto mai preziosa.

La ricerca di attività enzimatiche adatte ad essere impiegate in reazioni industriali e processi produttivi è quindi intensa.

Il raffinato prodotto di milioni di anni di evoluzione consiste di enzimi perfettamente adatti a svolgere migliaia di reazioni biologiche nel contesto di un organismo vivente.

In qualche caso le sofisticate caratteristiche che permettono agli enzimi di svolgere la loro funzione fisiologica servono a poco, mentre di grande interesse diventano altre proprietà, per esempio la stabilità alle alte temperature, l'attività in solventi diversi di acqua, la tolleranza a pH lontani dalla neutralità, la capacità di catalizzare reazioni in cui si utilizzano composti non neutrali. L'impiego di enzimi in processi biotecnologici è ancora per lo più limitata a lipasi, esterasi, ossidoriduttasi, nitrilasi, trasferasi e aldolasi, catalizzatori biologici che si dimostrano più adatti di altri ad operare in condizioni a volte lontane da quelle naturali.

L'obiettivo del ricercatore diventa quello di modificare la sequenza delle proteine in modo da variarne la le proprietà funzionali. Questa ancora giovane scienza prende il nome di ingegneria delle proteine, per il suo intento a riprogettare le proteine esistenti in natura.

A tale scopo possono essere utilizzati i potenti mezzi forniti in anni recenti dalle biotecnologie, in particolare ingegneria genetica, mutagenesi sito-specifica o casuale, modellistica molecolare.

Lo studio dei percorsi seguiti dall'evoluzione per generare le migliaia di enzimi che oggi ci sono noti, fornisce spunti interessanti di studio: permette di paragonare le sequenze di enzimi correlati dal punto di vista evolutivo e permette anche di formulare nuove strategie per la generazione in laboratorio di attività catalitiche modificate o non esistenti in natura.

Gli enzimi oggi esistenti derivano da un numero limitato di proteine progenitrici, diversificatesi nel corso del tempo a dare origine alla grande varietà che oggi osserviamo.

Nel processo di evoluzione divergente, una sequenza originaria di DNA accumula varie mutazioni dando luogo a proteine che sempre più si differenziano nella sequenza e nella funzione. Così da una proteina progenitrice comune possono originarsi enzimi che catalizzano reazioni diverse.

Tutte le proteine note utilizzano un numero limitato di soluzioni strutturali. Questo ci indica forti vincoli di carattere sterico e termodinamico sulla libertà di un polipeptide di assumere tutte le conformazioni che sarebbero possibili.

Nel corso dell'evoluzione, le nuove proteine vengono selezionate in base alla loro funzionalità e le alternative sfavorevoli vengono scartate.

Dallo studio dell'evoluzione delle proteine è emerso che si tratta di molecole altamente adattabili e in costante cambiamento, naturalmente in una scala di tempo molto lunga.

Esistono tuttavia esempi di nuove attività enzimatiche emerse nello spazio di pochi anni. Per esempio batteri adatti a vivere in particolari nicchie ecologiche hanno saputo evolvere enzimi in grado di metabolizzare sostanze non naturali immesse nell'ambiente dalle attività umane.

I metodi più recenti di mutatgenesi sono basati su un approccio di tipo evoluzionistico e vengono per questo denominati metodi di evoluzione guidata.

Le differenze fondamentali sono due:

è il ricercatore che definisce a priori quali sono le proprietà dell'enzima che devono essere ottimizzate;

il processo evolutivo si deve compiere in un breve periodo di tempo.

L'approccio sperimentale è di tipo reiterativo e comprende i seguenti passaggi:

creazione di una libreria di geni mutati;

espressione di questi geni in un ospite appropriato in modo da ottenere un'ampia collezione di proteine mutate che differiscono l'una dall'altra per pochi aminoacidi;

identificazione delle proteine mutanti con caratteristiche più vicine alle proteine naturali.

Tutte le strutture tridimensionali note possono essere ricondotte a un numero limitato di modelli strutturali.

In genere si preferisce partire da una proteina che mostri già un'attività simile a quella desiderata, in modo da potersi basare su una struttura tridimensionale compatibile con la funzione ricercata.

Nel corso dell'evoluzione naturale, questi cambiamenti sono già avvenuti e continueranno ad avvenire, portando però a due conseguenze, o la formazione di enzimi "neutri", ossia non produrranno variazioni nella struttura dell'enzima, o si produrranno enzimi dannosi per l'organismo, perché causa di diminuzione dell'attività enzimatica.