Unprecedented abilities to produce thousands of enzymes pave the way for a green industrial revolution
From breaking down polluting waste and purifying wastewater to creating renewable energy - custom enzymes are a promise for a greener industrial future. In a new study published today in the scientific journal Science, מדעני מכון ויצמן למדע מקרבים את החזון למציאות: צוות חוקרים בראשות פרופ' Sheral Fleishman from the Department of Biomolecular Sciences presents a new computational method for designing enzymes by assembling them from modular building blocks. This method, which draws inspiration from our immune system, makes it possible to design thousands of active enzymes with unprecedented efficiency and is a leap forward in the field of protein engineering.
Enzymes are, without a doubt, one of the most prominent examples of the achievements of evolution. These molecular machines, without which life would not be possible, carry out all the chemical processes that take place in the living body. Millions of years of natural selection have perfected and improved their activity, so that the enzymes are able to speed up the rate of certain chemical reactions by billions and even more. In fact, the vast majority of the chemical reactions on which life is based would not occur at the rate required for life to exist without enzymes. Like other proteins, the properties of enzymes depend on the genetic sequence of the genes that encode them and the creation of a precise three-dimensional structure based on it. A mistake or a change in the sequence may result in not creating the structure required to perform the function of the enzyme, but nevertheless they may also increase its efficiency.
לפי עיקרון אבולוציוני זה, מהנדסים כיום ביוכימאים אנזימים בשיטה של ניסוי וטעייה: תחילה הם מחוללים שינויים אקראיים בקוד הגנטי של אנזימים טבעיים, ואז בוחנים עד כמה יעילים התוצרים המהונדסים למטרות שונות. בדומה לאבולוציה, זהו תהליך מורכב, איטי ועתיר מאמץ. במעבדתו של פרופ' פליישמן החליטו לעשות זאת בדרך אחרת: לפרק אנזימים טבעיים למקטעים מודולריים, כך שבדומה לאבני לגו, אפשר יהיה לשנות ולחבר אותם מחדש בדרכים שונות וליצור מספר רב של אנזימים מגוונים מאוד.
גישה חדשנית זו נהגתה בהשראת המערכת החיסונית שלנו, המסוגלת לייצר מיליארדי נוגדנים שונים באמצעות חיבור אקראי של מקטעים על בסיס מספר מצומצם של גנים. "הנוגדנים הם משפחת החלבונים היחידה בטבע שמיוצרת באופן מודולרי", אומר פרופ' פליישמן. "הגיוון העצום שלהם נוצר בזכות הרכבה של מקטעים גנטיים קיימים. זאת, בדומה לאופן שבו מכשיר אלקטרוני חדש מורכב ממעבדים וטרנזיסטורים קיימים".
""נדהמנו מהתוצאות. אמנם שיעור הצלחה של 0.3% לכאורה אינו גבוה במיוחד, אבל המספר נטו של אנזימים פעילים שונים – 3,000 – הוא עצום. ניסוי טיפוסי בהנדסת אנזימים מניב לא יותר מכמה עשרות אנזימים פעילים"
אבל האם אפשר בכלל לפרק אנזימים לאבני בניין מודולריות? רוזלי ליפש, תלמידת מחקר במעבדתו של פרופ' פליישמן שהובילה את המחקר החדש, יצאה לבדוק את השאלה כשבאמתחתה כמה עשרות אנזימים טבעיים המפרקים קסילאן (xylan), חומר נפוץ שבדומה לתאית מצוי בדפנות של תאי צמחים. "הבחירה באנזימים המפרקים קסילאן אינה מקרית", היא מסבירה. "אם נצליח להגביר את פעילותן של מולקולות אלה, המצויות באופן טבעי במינים שונים של חיידקים, נוכל לפרק ביעילות רבה יותר פסולת חקלאית ולייצר ממנה דלק ביולוגי".
To test the method of modular segments, Lipash developed an algorithm capable of selecting, based on physical calculations and machine learning, the segments of the protein sequence from which the chances of assembling stable structures are the highest. Using the algorithm, the researchers broke down the natural enzyme sequences into selected segments and designed dozens of mutations in each segment designed to turn them into modular building blocks as good as possible. In the next step, the algorithm reassembled the engineered building blocks in different combinations and generated a million sequences expected to produce stable enzymes.
עם מיליון רצפים ביד, פנו החוקרים לייצר הלכה למעשה מיליון אנזימים במטרה לבחון את יעילותם במעבדה. להפתעתם, כ-3,000 אנזימים נמצאו פעילים. "נדהמנו מהתוצאות", אמר פרופ' פליישמן. "אמנם שיעור הצלחה של 0.3% לכאורה אינו גבוה במיוחד, אבל המספר נטו של אנזימים פעילים שונים הוא עצום. ניסוי טיפוסי בהנדסת אנזימים מניב לא יותר מכמה עשרות אנזימים פעילים".
When they gathered such a rich repertoire of active enzymes, the scientists raised a central question that preoccupies protein researchers: what molecular characteristics distinguish active enzymes, and distinguish them from inactive enzymes?
בעזרת כלים של למידת מכונה, בחנה ליפש כ-100 תכונות של אנזימים ובחרה מתוכן עשר תכונות המנבאות בצורה הטובה ביותר אם אנזים יהיה פעיל. היא שילבה את "מנבא הפעילות" באלגוריתם שלה וחזרה על ניסוי תכנון האנזימים לפירוק קסילאן. ההרצה השנייה של הניסוי הניבה כבר כ-12,000 אנזימים פעילים – 9,000 אנזימים לפירוק קסילאן ו-3,000 נוספים לפירוק תאית. דהיינו, החוקרים הכפילו פי 10 את שיעור ההצלחה בניסוי הראשון והובילו להישג חסר תקדים בהיסטוריה של הנדסת חלבונים: הם פיתחו בניסוי בודד יותר אנזימים פעילים מאלה שהופקו במשך עשור.
Furthermore, the enzymes obtained were endowed with extraordinary diversity both in their sequence and in their structure - a diversity that indicates the possibility of their ability to act on other materials in addition to xylan and cellulose.
"טכנולוגיה אוטומטית ואמינה לייצור אנזימים בעלי רמת פעילות גבוהה כל-כך היא חדשות מצוינות", אומרת ליפש. למעשה, השיטה החדשה, שהמדענים כינו CADENZ – ראשי תיבות באנגלית של "הרכבה ועיצוב קומבינטוריים של אנזימים" – עתידה לחולל מהפכה בתחום, ואפשר יהיה ליישמה לא רק באנזימים אלא בכל משפחה של חלבונים. צוות המחקר במעבדתו של פרופ' פליישמן בוחן כבר כיום את אפשרויות היישום של השיטה לעיצוב נוגדנים חדשים ומשופרים וליצירת וריאציות חדשות לחלבונים פלואורסצנטיים המשמשים כסמנים במעבדות מחקר.
"הנדסת חלבונים הולכת והופכת למרכיב מרכזי בכלכלה ובתעשיית התרופות העולמית", אומר פרופ' פליישמן. "המטרה שלנו במעבדה היא לשנות את האופן שבו מהנדסים אנזימים, נוגדנים וחלבונים אחרים – כך שהתהליך יהיה יעיל ואמין יותר ויסלול את הדרך למהפכה תעשייתית של ממש".
בין משתתפי המחקר נכללים ד"ר אולגה חרסונסקי ושלמה יקיר הוך מהמחלקה למדעים ביומולקולריים במכון; ד"ר סיברין פ' שרודר וד"ר קספר דֶּה בּוּר ופרופ' הֶרְמֵן ס' אופרקלפט מאוניברסיטת ליידן, הולנד ופרופ' גדעון ג" דיוויס מאוניברסיטת יורק, בריטניה.
