Синтетическая биология для направленной эволюции белковых биокатализаторов: интеллектуальная навигация в пространстве последовательностей

Аминокислотная последовательность белка влияет как на его структуру, так и на его функцию. Поэтому возможность систематически изменять последовательность, а следовательно, структуру и активность отдельных белков открывает широкие перспективы — как для фундаментальных исследований, так и, что является предметом настоящего обзора, для применения в биокатализе. Современные методы синтетической биологии, позволяющие синтезировать de novo всё более длинные последовательности ДНК, обеспечивают беспрецедентные возможности конструирования белков с новыми функциями. Однако число возможных белков слишком велико, чтобы исследовать их по отдельности, поэтому необходимы способы эффективной и надёжной навигации в «пространстве поиска» возможных белковых последовательностей для выявления желательных активностей и других свойств. Энзимологи различают стадии связывания (Kd) и катализа (kcat). Аналогичным образом продуманные стратегии объединяют дизайн (для связывания, специфичности и моделирования активного центра) с более эмпирическими методами классической направленной эволюции (DE), применяемыми для повышения kcat, поскольку естественный отбор редко стремится к достижению максимальных значений этого параметра. Это особенно важно для остатков, удалённых от активного центра, а также в случаях, когда функциональные связи, лежащие в основе динамики фермента, неизвестны и плохо поддаются прогнозированию. Эпистаз (при котором «наилучшая» аминокислота в одном сайте зависит от аминокислоты или аминокислот в других сайтах) является характерной особенностью направленной эволюции. Цель настоящего обзора — осветить некоторые разрабатываемые подходы, позволяющие использовать направленную эволюцию для улучшения свойств ферментов, зачастую весьма существенно. Мы отмечаем, что направленная эволюция во многих отношениях отличается от естественной, в частности доступными механизмами и вероятными давлениями отбора. Поэтому особое внимание уделено возможностям, предоставляемым методами, позволяющими отображать взаимосвязь между последовательностью и (структурой и) активностью in silico, что является эффективным средством моделирования и исследования ландшафтов белков. Поскольку известные ландшафты можно оценивать и анализировать как единое целое, одновременно, ...