Alla ricerca di nuovi enzimi con un computer molecolare
Gli enzimi sono potenti catalizzatori utilizzati in una vasta gamma di settori, dalla biomedicina all’industria manifatturiera. In condizioni di laboratorio, gli enzimi di origine naturale hanno consentito importanti scoperte quali la tecnologia PCR e CRISPR e rappresentano un enorme potenziale per la chimica verde. Favorire ulteriormente queste scoperte richiede la creazione di enzimi che non sono presenti in natura, ovvero enzimi in grado di eseguire processi chimici non naturali per produrre una serie di funzioni e prodotti desiderati. Tuttavia, la progettazione di tali enzimi resta un compito difficoltoso, limitato dalla potenza di calcolo e dai costi della manodopera. Il progetto ProFF, finanziato dall’UE, ha cercato di affrontare queste sfide mediante un nuovo sistema per l’evoluzione diretta di enzimi. «Sono molte le applicazioni che necessitano di enzimi non presenti in natura, enzimi che sono più efficienti, più resistenti alla temperatura, ecc…», spiega il coordinatore del progetto Yannick Rondelez, ricercatore presso l’ESPCI e il CNRS. Rondelez, che ha una formazione nel campo della programmazione molecolare, un ramo della biologia sintetica, ha deciso di progettare macchine biologiche in grado di funzionare senza un essere vivente ospitante, codificato da piccole, brevi sequenze di DNA sintetico dette oligonucleotidi. «Creiamo tali macchine non per finalità biochimiche, bensì di calcolo», afferma Rondelez. I sistemi sfruttano il fatto che il processo evolutivo può agire come un algoritmo, selezionando sulla base di risultati specifici nell’arco di iterazioni ripetute che,in questo caso, sono i miglioramenti apportati agli enzimi.
Programmazione molecolare
L’approccio tipico all’ingegneria proteica consiste nel creare varianti multiple e testare la loro attività una ad una, per poi selezionare le migliori e ripetere la procedura. Tutto ciò fa sì che il processo sia lento e laborioso. «Più ampia è la libreria di varianti che possono essere manipolate, maggiore è la possibilità di trovarne una buona», aggiunge Rondelez. «Ma è difficile seguire questo metodo tradizionale quando si ha a che fare con grandi numeri. Stiamo cercando di rimuovere questo ostacolo e di manipolare grandi quantità di enzimi.» Per fare ciò, Rondelez e i suoi colleghi hanno lavorato alla realizzazione di un programma molecolare in grado di connettere l’attività fenotipica di un enzima con la replicazione genetica. «Prepariamo un’emulsione con miliardi di compartimenti genici, ciascuno contenente una variante e il programma molecolare», osserva. «Se l’attività enzimatica è corretta, l’enzima innesca il programma molecolare e la replicazione del proprio gene.» Tale approccio sfrutta diverse strategie di legame fenotipo-genotipo, dato che le prestazioni di un enzima devono essere testate monitorando contemporaneamente la sequenza genetica che lo produce.
Spin-out nel campo della diagnostica
«Nel nostro progetto abbiamo lavorato molto con enzimi come le ligasi, dove il substrato è il DNA stesso», spiega Rondelez. «Poiché il nostro programma molecolare è realizzato con il DNA, è facile collegare l’attività enzimatica ad un sistema basato su tale molecola. Ma va sottolineato che questo approccio si è dimostrato possibile anche con enzimi che agiscono su substrati non a base di DNA.» Il progetto ha ricevuto il supporto del Consiglio europeo della ricerca. «Il finanziamento mi ha permesso di acquistare il materiale per un nuovo laboratorio e di assumere un nuovo team di ricerca», afferma Rondelez, che si è trasferito dal Giappone alla Francia per guidare il progetto. «È stata una mossa molto rischiosa quella di integrare tante tecniche di cui non siamo specialisti, e ciò è stato possibile solo grazie ad un cospicuo sostegno economico a lungo termine.» Una serie di articoli sono stati pubblicati o presentati per la pubblicazione, e un aspetto della ricerca ha portato allo sviluppo di un’azienda spin-out di diagnostica. Rondelez sostiene di voler rendere più accessibile e veloce l’innovativa tecnica sviluppata dal suo team, per fare in modo che gli enzimi possano essere ottimizzati in pochi giorni.
Parole chiave
ProFF, enzima, diretto, evoluzione, oligonucleotidi, DNA, diagnostica, legame, genotipo, fenotipo, replicazione, attività
