Scientists at the University of Bas

Scientists at the University of Basel, ETH Zurich, and NCCR Molecular Systems Engineering have developed an artificial metalloenzyme that catalyses a reaction inside of cells without equivalent in nature. This could be a prime example for creating new non-natural metabolic pathways inside living cells, as reported today in Nature.

The artificial metalloenzyme, termed biot-Ru-SAV, was created using the biotin-streptavidin technology. This method relies on the high affinity of the protein streptavidin for the vitamin biotin, where compounds bound to biotin can be introduced into the protein to generate artificial enzymes. In this study the authors introduced an organometallic compound, with the metal ruthenium at its base. Organometallic compounds are molecules containing at least one bond between a metal and a carbon atom, and are often used as catalysts in industrial chemical reactions. However, organometallic catalysts perform poorly, if at all, in aqueous solutions or cellular-like environments, and need to be incorporated into protein scaffolds like streptavidin to overcome these limitations.

"The goal was to create an artificial metalloenzyme that can catalyse olefin metathesis, a reaction mechanism that is not present among natural enzymes," says Thomas R Ward, Professor at the Department of Chemistry, University of Basel, and senior author of the study. The olefin metathesis reaction is a method for the formation and redistribution of carbon-carbon double bonds widely used in laboratory research and large-scale industrial productions of various chemical products. Biot-Ru-SAV catalyses a ring-closing metathesis to produce a fluorescent molecule for easy detection and quantification.

Periplasm as reaction compartment

However, the environment inside a living cell is far from ideal for the proper functioning of organometallic-based enzymes. "The main breakthrough was the idea to use the periplasm of Escherichia coli as a reaction compartment, whose environment is much better suited for an olefin metathesis catalyst," says Markus Jeschek, a researcher from the team of co-supervising author Sven Panke at the Department of Biosystems Science and Engineering, ETH Zurich in Basel. The periplasm, the space between the inner cytoplasmic membrane and the bacterial outer membrane in gram-negative bacteria, contains low concentrations of metalloenzymes inhibitors, such as glutathione.

Having found ideal in vivo conditions, the authors went a step forward and decided to optimize biot-Ru-SAV by applying principles of directed evolution, a method that mimics the process of natural selection to evolve proteins with enhanced properties or activities. "We could then develop a simple and robust screening method that allowed us to test thousands of biot-Ru-SAV mutants and identify the most active variant," Ward explains.

Not only could the authors markedly improve the catalytic properties of biot-Ru-SAV, but they could also show that organometallic-based enzymes can be engineered and optimized for different substrates, thus producing a variety of different chemical products. "The exciting thing about this is that artificial metalloenzymes like biot-Ru-SAV can be used to produce novel high added-value chemicals," Ward says. "It has a lot of potential to combine both chemical and biological tools to ultimately utilize cells as molecular factories.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

นักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัย Basel สนใจ และ NCCR โมเลกุลระบบวิศวกรรมได้พัฒนาการประดิษฐ์ metalloenzyme catalyses ที่เป็นปฏิกิริยาภายในเซลล์โดยไม่เทียบเท่ากับในธรรมชาติ นี้อาจจะสร้างใหม่ไม่ธรรมชาติทางเดินเผาผลาญภายในเซลล์ชีวิต ตัวอย่างรายงานวันนี้ในธรรมชาติMetalloenzyme เทียม เรียกว่าบิออท-Ru-SAV ถูกสร้างขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีไบโอติน streptavidin วิธีนี้อาศัยความสัมพันธ์สูงของ streptavidin โปรตีนกับวิตามินไบโอติน ซึ่งสามารถนำสารประกอบที่ถูกผูกไว้กับไบโอตินเป็นโปรตีนในการสร้างเอนไซม์ประดิษฐ์ ในการศึกษานี้ ผู้เขียนนำมาใช้เป็นสารประกอบ organometallic กับรูทีเนียมโลหะที่ฐาน สารประกอบ organometallic เป็นโมเลกุลที่ประกอบด้วยอย่างน้อยหนึ่งพันธะระหว่างโลหะมีอะตอมคาร์บอน และมักจะใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาเคมีอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม organometallic ทำได้ไม่ดี ถ้า ในละลายหรือสภาพแวดล้อมเหมือนมือถือ และต้องการที่จะประกอบเป็นโปรตีน scaffolds เช่น streptavidin เพื่อเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้"เป้าหมายคือการ สร้าง metalloenzyme การประดิษฐ์ที่สามารถกระตุ้น metathesis ฟินส์ กลไกปฏิกิริยาที่ไม่มีอยู่ในเอนไซม์ธรรมชาติ กล่าวว่า โทมัสอาร์วาร์ด ศาสตราจารย์ที่ภาควิชาเคมี มหาวิทยาลัย Basel และนักเขียนอาวุโสของการศึกษา ปฏิกิริยา metathesis ฟินส์เป็นวิธีสำหรับการสร้างและการกระจายของคาร์บอนคาร์บอนพันธะคู่ที่ใช้ในห้องปฏิบัติการวิจัยและการผลิตอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ของผลิตภัณฑ์เคมีต่าง ๆ บิออท-Ru-แซ catalyses แหวนปิด metathesis ผลิตโมเลกุลเรืองแสงสำหรับการตรวจสอบง่ายและการนับPeriplasm เป็นช่องปฏิกิริยาอย่างไรก็ตาม สิ่งแวดล้อมภายในเซลล์ชีวิตอยู่ไกลจากเหมาะสำหรับการทำงานของเอนไซม์ organometallic คะแนน "ความก้าวหน้าหลักเป็นความคิดที่จะใช้ periplasm ของ Escherichia coli เป็นช่องมีปฏิกิริยา สภาพแวดล้อมที่มีมากดีกว่าเหมาะที่สำหรับฟินส์ metathesis catalyst," Markus Jeschek นักวิจัยจากทีมผู้ดูแลร่วมกับสเว็น Panke ที่กรม วิทยาศาสตร์ศาสตร์เชิงชีวภาพ และวิศวกรรม ETH Zurich ในบาเซิลกล่าว Periplasm ช่องว่างระหว่างเยื่อชั้นนอกแบคทีเรียในแบคทีเรียแกรมลบ และเมมเบรนนำภายในประกอบด้วยความเข้มข้นต่ำของ metalloenzymes inhibitors เช่นกลูตาไธโอนมีพบสภาพในร่างกาย ผู้เขียนไปก้าวไปข้างหน้า และตัดสินใจที่จะเพิ่มประสิทธิภาพบิออท-Ru-SAV โดยใช้หลักของวิวัฒนาการโดยตรง วิธีการที่เลียนแบบกระบวนการในการคัดเลือกโดยธรรมชาติจะพัฒนาโปรตีน มีคุณสมบัติพิเศษหรือกิจกรรม "เราสามารถแล้วพัฒนาวิธีการตรวจง่าย และมีประสิทธิภาพที่ทำให้เราสามารถทดสอบหลายพันสายพันธุ์บิออท-Ru-SAV และระบุตัวแปรมากที่สุด ชิอธิบายไม่เพียงสามารถผู้เขียนปรับปรุงคุณสมบัติของตัวเร่งปฏิกิริยาของบิออท-Ru-SAV แต่ยังสามารถแสดงว่า เอนไซม์ organometallic คะแนนสามารถวิศวกรรม และเหมาะสำหรับพื้นผิวต่าง ๆ ผลิตความหลากหลายของผลิตภัณฑ์เคมีที่แตกต่างกันดังนั้น วอร์ดกล่าวว่า "สิ่งน่าตื่นเต้นเกี่ยวกับเรื่องนี้เป็น metalloenzymes ที่ประดิษฐ์เช่นบิออท-Ru-SAV สามารถใช้ในการผลิตสารเคมีมูลค่าเพิ่มสูงนวนิยาย "มีจำนวนมากของการรวมเครื่องมือทั้งทางเคมี และทางชีวภาพการใช้เซลล์เป็นโรงงานระดับโมเลกุลในที่สุด

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

นักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยบาเซิล, ผลประโยชน์ทับซ้อนซูริกและ NCCR ระบบวิศวกรรมโมเลกุลได้มีการพัฒนา metalloenzyme เทียมที่เร่งปฏิกิริยาภายในของเซลล์โดยไม่ต้องเทียบเท่าในธรรมชาติ ซึ่งอาจเป็นตัวอย่างที่สำคัญสำหรับการสร้างเผาผลาญเซลล์ใหม่ที่ไม่ใช่ธรรมชาติภายในเซลล์ที่มีชีวิตตามที่รายงานวันนี้ในธรรมชาติ.

metalloenzyme เทียมเรียกว่า Biot-RU-SAV ถูกสร้างขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีไบโอตินสเต- วิธีนี้ต้องอาศัยความสัมพันธ์กันสูงของโปรตีน streptavidin สำหรับไบโอตินวิตามินที่ผูกไว้กับสารไบโอตินสามารถนำเข้าโปรตีนในการสร้างเอนไซม์เทียม ในการศึกษานี้ผู้เขียนนำมาเป็นสารเคมีที่มีพันธะกับรูทีเนียมโลหะที่ฐานของมัน สารเคมีที่มีพันธะเป็นโมเลกุลที่มีอย่างน้อยหนึ่งความผูกพันระหว่างโลหะและอะตอมของคาร์บอนและมักจะใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาเคมีอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตามตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีที่มีพันธะทำงานได้ไม่ดีถ้าทุกคนในสารละลายหรือสภาพแวดล้อมที่โทรศัพท์มือถือเหมือนและจำเป็นต้องได้รับการจดทะเบียนเป็นโครงโปรตีนเช่นสเตที่จะเอาชนะข้อ จำกัด เหล่านี้.

"เป้าหมายของเราคือการสร้าง metalloenzyme เทียมที่สามารถกระตุ้น metathesis เลห กลไกการเกิดปฏิกิริยาที่ไม่อยู่ในหมู่เอนไซม์ธรรมชาติ "โทมัสอาร์วอร์ดศาสตราจารย์ที่ภาควิชาเคมีมหาวิทยาลัยบาเซิลและผู้เขียนอาวุโสของการศึกษากล่าวว่า ปฏิกิริยาเลห metathesis เป็นวิธีการสร้างและการกระจายของพันธะคู่คาร์บอนใช้กันอย่างแพร่หลายในการวิจัยในห้องปฏิบัติการและขนาดใหญ่ผลิตอุตสาหกรรมของผลิตภัณฑ์เคมีต่างๆ Biot-RU-SAV catalyses metathesis แหวนปิดการผลิตโมเลกุลเรืองแสงสำหรับการตรวจสอบได้ง่ายและปริมาณ.

Periplasm เป็นช่องปฏิกิริยา

อย่างไรก็ตามสภาพแวดล้อมภายในเซลล์ที่มีชีวิตอยู่ไกลจากที่ที่เหมาะสำหรับการทำงานที่เหมาะสมของเอนไซม์ที่มีพันธะตาม "การพัฒนาเป็นหลักคิดที่จะใช้ periplasm ของ Escherichia coli เป็นช่องปฏิกิริยาที่มีสภาพแวดล้อมที่ดีมากเหมาะกับตัวเร่งปฏิกิริยา metathesis เลห" มาร์คัส Jeschek นักวิจัยจากทีมงานของเพื่อนร่วมกำกับดูแลผู้เขียน Sven Panke ที่กล่าวว่า กรม Biosystems วิทยาศาสตร์และวิศวกรรม, ETH ซูริคในบาเซิล periplasm ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มนิวเคลียสภายในและเยื่อหุ้มชั้นนอกของเชื้อแบคทีเรียในแบคทีเรียแกรมลบที่มีความเข้มข้นต่ำของเมทัลโลโปรตีนเช่นกลูตาไธโอน.

มีพบที่เหมาะในสภาพร่างกายผู้เขียนเดินก้าวไปข้างหน้าและตัดสินใจที่จะเพิ่มประสิทธิภาพ Biot -Ru-SAV โดยใช้หลักการของวิวัฒนาการกำกับวิธีการที่เลียนแบบกระบวนการของการคัดเลือกโดยธรรมชาติที่จะพัฒนาโปรตีนที่มีคุณสมบัติที่เพิ่มขึ้นหรือกิจกรรม "เราก็จะพัฒนาวิธีการตรวจคัดกรองที่เรียบง่ายและมีประสิทธิภาพที่ช่วยให้เราสามารถทดสอบหลายพันของการกลายพันธุ์ Biot-RU-SAV และระบุตัวแปรที่ใช้งานมากที่สุด" วอร์ดอธิบาย.

ไม่เพียง แต่สามารถเขียนอย่างเห็นได้ชัดปรับปรุงคุณสมบัติเร่งปฏิกิริยาของ Biot-Ru- SAV แต่พวกเขายังสามารถแสดงให้เห็นว่าเอนไซม์ที่มีพันธะตามสามารถวิศวกรรมและเหมาะสำหรับพื้นผิวที่แตกต่างกันจึงผลิตที่หลากหลายของผลิตภัณฑ์เคมีที่แตกต่างกัน "สิ่งที่น่าตื่นเต้นเกี่ยวกับเรื่องนี้ก็คือว่าเมทัลโลเทียมเช่น Biot-RU-SAV สามารถนำมาใช้ในการผลิตสารเคมีสูงมูลค่าเพิ่มนวนิยายเรื่อง" วอร์ดกล่าวว่า "มันมีจำนวนมากที่มีศักยภาพที่จะรวมทั้งเครื่องมือทางเคมีและชีวภาพในที่สุดใช้เป็นเซลล์โรงงานโมเลกุล

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

นักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยบาเซิล , ซูริค และ nccr ระบบวิศวกรรมโมเลกุลมีการพัฒนาพันธุ์เทียมเมทัลโลเ ไซม์ที่ปฏิกิริยาภายในเซลล์โดยไม่ต้องเทียบเท่าในธรรมชาติ นี่อาจเป็นตัวอย่างที่สำคัญสำหรับการสร้างใหม่ที่ไม่ใช่ธรรมชาติเส้นทางการเผาผลาญภายในเซลล์ที่มีชีวิต เช่น รายงานว่า วันนี้ ในธรรมชาติส่วนเมทัลโลเ ไซม์เทียม เรียกว่าอ่อน รุช , ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ biotin streptavidin เทคโนโลยี วิธีนี้ต้องอาศัยความสามารถสูงของโปรตีน streptavidin สำหรับวิตามินไบโอติน ซึ่งสารประกอบต้องผงะสามารถแนะนำเป็นโปรตีนที่สร้างเทียม เอนไซม์ ในการศึกษานี้ผู้เขียนแนะนำสารประกอบออร์แกนโนเมทัลลิก กับโลหะรูทีเนียมที่ฐาน โมเลกุลของสารประกอบที่มีอย่างน้อยหนึ่งพันธะระหว่างโลหะและอะตอมของคาร์บอน และมักถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาทางเคมีอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาของการดําเนินงาน ถ้าที่ทั้งหมด ในการแก้ไขปัญหาน้ำ หรือเซลล์ เช่น สภาพแวดล้อม และต้องการที่จะรวมอยู่ในโปรตีนนั่งร้านแบบ streptavidin ที่จะเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้" เป้าหมายคือการสร้างเทียมเมทัลโลเ ไซม์ที่สามารถกระตุ้นโอเลฟินส , ปฏิกิริยากลไกที่ไม่ได้เป็นปัจจุบันของเอนไซม์ธรรมชาติ , " กล่าวว่าโทมัสอาร์วอร์ด อาจารย์ที่ภาควิชาเคมี มหาวิทยาลัยบาเซิล และ ผู้เขียนอาวุโสของการศึกษา ส่วนโอเลฟินสปฏิกิริยาเป็นวิธีสำหรับการสร้างและการกระจายของคาร์บอนคาร์บอนพันธะคู่ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการวิจัยในห้องปฏิบัติการ และอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ การผลิตผลิตภัณฑ์เคมีต่างๆ ไบโอต รุชพันธุ์แหวนปิดสผลิตโมเลกุลเรืองแสงสำหรับการตรวจสอบง่ายและปริมาณ .periplasm เป็นส่วนของปฏิกิริยาแต่สภาพแวดล้อมภายในเซลล์ที่มีชีวิตห่างไกลจากที่เหมาะสำหรับการทำงานที่เหมาะสมของโดยเอนไซม์ " . การพัฒนาหลักคือความคิดที่จะใช้ periplasm ของ Escherichia coli เป็นปฏิกิริยาช่องที่มีสภาพแวดล้อมที่ดีมากเหมาะสำหรับเป็นโอเลฟินสตัวเร่งปฏิกิริยา , กล่าวว่า " มาคัส jeschek นักวิจัยจากทีมของ สเวน panke Co ดูแลผู้ที่ภาควิชาซึ่งวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม , ETH Zurich ในบาเซิล . การ periplasm ช่องว่างระหว่างภายในและภายนอกเยื่อแผ่นแบคทีเรียที่พบในแบคทีเรียแกรมลบ มีความเข้มข้นต่ำของ metalloenzymes inhibitors เช่น กลูตาไธโอน .มีพบในอุดมคติโดยเงื่อนไข ผู้เขียนไปขั้นตอนต่อไปและตัดสินใจที่จะปรับอ่อน รุช โดยใช้หลักการของกำกับวิวัฒนาการวิธีที่เลียนแบบกระบวนการของการคัดเลือกโดยธรรมชาติโดยโปรตีนเพิ่มคุณสมบัติหรือกิจกรรมต่างๆ . เราได้พัฒนาแล้ว ที่ง่ายและวิธีการตรวจที่สมบูรณ์ให้เราทดสอบพันอ่อน รุชพันธ์ และระบุตัวแปรที่ใช้งานมากที่สุด " วอร์ด อธิบายไม่เพียง แต่สามารถเขียนอย่างเด่นชัดปรับปรุงคุณสมบัติการเร่งปฏิกิริยาของชีวภาพ รุช แต่พวกเขายังแสดงให้เห็นว่าของโดยเอนไซม์สามารถปรับและเหมาะสำหรับพื้นผิวที่แตกต่างกัน ดังนั้น การผลิต ความหลากหลายของผลิตภัณฑ์เคมีที่แตกต่างกัน สิ่งที่น่าตื่นเต้นเกี่ยวกับเรื่องนี้คือว่า metalloenzymes เทียมเช่นอ่อน รุชสามารถใช้ผลิตสารเคมีมูลค่าเพิ่มสูงใหม่ " วอร์ดกล่าวว่า . " มันมีศักยภาพมากที่จะรวมทั้ง เคมี และชีวภาพ ใช้เครื่องมือสุดเซลล์เป็นโรงงานระดับโมเลกุล