Sustitución de coenzimas: los investigadores recrean el método de unión de coenzimas en las enzimas de Rossmann

Se cree que las coenzimas que contienen nucleobases son restos de un antiguo mundo de ARN y pueden proporcionar información sobre el origen y la evolución de las proteínas. Sin embargo, las interacciones proteína-enzima aún no están claras. Recientemente, investigadores de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa buscaron respuestas en las enzimas de Rossmann y descubrieron que las inserciones y eliminaciones dan forma principalmente a la especificidad de la coenzima en estas proteínas. Sus hallazgos, aunque importantes desde el punto de vista evolutivo, probablemente también proporcionen una nueva estrategia para la ingeniería de especificidad enzimática.

Las coenzimas son moléculas que ayudan a las proteínas en aproximadamente la mitad de todas las reacciones que catalizan. Estas pequeñas moléculas orgánicas contienen nucleótidos al igual que los componentes básicos del ADN y el ARN. Si bien las coenzimas desempeñan un papel fundamental en la catalización de proteínas, su importancia no se limita solo a esto. Las coenzimas que contienen nucleobases son los restos fósiles de un antiguo mundo basado en el ARN, que se postula que existió incluso antes de que aparecieran las primeras proteínas. Podrían, hipotéticamente, proporcionar información sobre cómo surgieron y evolucionaron las proteínas. Desafortunadamente, se sabe poco sobre la evolución de las interacciones proteína-enzima.

La estructura y función de cualquier proteína está codificada en su secuencia de aminoácidos. Ciertas estructuras se conservan evolutivamente en todos los reinos de la vida. Una de esas estructuras repetitivas, el «pliegue de Rossmann», fue descubierta por el Dr. Michael Rossmann en 1970. El pliegue de Rossmann es la estructura proteica más diversa y abundante en la naturaleza y es un objetivo excelente para estudiar las interacciones proteína-enzima. Las proteínas de Rossmann muestran diversas funciones catalíticas debido a sutiles diferencias en su estructura. Estas diferencias afectan las propiedades de unión de sus catalizadores de acción conjunta, las coenzimas.

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Investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) modificaron recientemente el bolsillo de coenzima de la proteína de Rossmann que normalmente realiza reacciones redox para unirse a un agente de metilación. Mientras que la proteína normal se une a la coenzima NAD (dinucleótido de nicotinamida y adenina), el mutante perdió la capacidad de unirse a NAD y ganó la unión a SAM (S-adenosil metionina). Sus hallazgos han sido publicados en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América.


Las proteínas de Rossmann que realizan reacciones de oxidorreductasa se unen a las desmetilasas de Rossmann a través de inserciones y deleciones (InDels) en sus bolsillos de unión.

se le atribuye:

Saacnicteh Toledo Patineo, OIST


Impresión 3D de una deshidrogenasa de Rossmann de cadena corta modificada para albergar el bolsillo de coenzima de las desmetilasas de Rossmann.

se le atribuye:

Saacnicteh Toledo Patineo, OIST

dice la Dra. Paola Loreno, profesora asistente que dirige OIST Unidad de Ingeniería y Desarrollo de ProteínasComo prueba de principio, diseñamos una proteína oxidorreductasa para aceptar una enzima metilada ‘SAM’ en lugar de su coenzima natural ‘NAD’. Esto implica rediseñar el antiguo bucle rico en glicina altamente conservado. Esta tarea no es trivial debido a la complejidad de los enlaces H dentro de la molécula y ha atraído la atención de muchos de los ingenieros de proteínas del pasado”.

Históricamente, las interacciones de proteínas se han estudiado mediante mutagénesis dirigida al sitio, un proceso que da lugar a proteínas modificadas en las que uno o más aminoácidos se reemplazan por otros. Sin embargo, hasta la fecha, los investigadores no han desbloqueado completamente el potencial de «inserciones» y «eliminaciones» (colectivamente, «InDels»). A diferencia de las sustituciones de aminoácidos, InDel modifica significativamente la estructura de una proteína debido a la adición o eliminación de uno o más aminoácidos de la secuencia de proteína correspondiente.

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En primer lugar, los investigadores realizaron análisis exhaustivos y reconfiguraron el antiguo perfil de unión a enzimas de NAD en el motivo de unión a SAM. Para lograrlo, eliminaron InDel de tres aminoácidos del bolsillo de la coenzima NAD y resolvieron la estructura del mutante resultante. Como era de esperar, el mutante mostró los rasgos estructurales característicos del bolsillo de unión a SAM.

A continuación, el equipo decidió validar sus hallazgos estudiando las interacciones del mutante generado con SAM. Con ese fin, el equipo realizó mediciones termogravimétricas de titulación isotérmica, una técnica biofísica que identifica afinidades de unión, y validó la clave para que la enzima tuviera éxito cuando notaron que el mutante ya estaba unido. Los resultados fueron confirmados además por simulaciones computarizadas.

El autor principal, el Dr. Universo. Por esta razón, la naturaleza solo ha explorado una fracción infinitesimal de estas posibilidades y, sin embargo, es capaz de impulsar una enorme cantidad de reacciones que sustentan la vida”.

Este conocimiento puede ayudar a diseñar enzimas sintéticas con enormes aplicaciones.

Trabajo de investigación

  • Título: Las inserciones y deleciones median la divergencia funcional de las enzimas plegables de Rossmann
  • Autores: Saacnicteh Toledo-Patiño, Stefano Pascarelli, Gen-ichiro Uechi y Paola Laurino
  • Afiliaciones: Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa
  • Revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias, EE. UU.
  • DOI: 10.1073/pnas.2207965119
  • Fecha: 2022.11.23.2020

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