Připraven enzym fungující při 100 °C

V biotechnologii byla v posledních letech věnována velká pozornost enzymům z extremofilních organizmů, které si zachovávají stabilitu i katalytickou funkci při vysokých teplotách. Tyto enzymy nacházejí významné využití v průmyslu, např. při výrobě pracích prostředků.

Běžné enzymy jakožto bílkoviny denaturují již při teplotách nad 50–60 °C. Jejich molekuly, za normální teploty přesným způsobem svinuté, se rozvíjejí v neuspořádaná klubka, která mají velkou tendenci se spojovat až k vytvoření sraženiny vypadávající z roztoku. Celý proces je provázen ztrátou funkce a je obvykle nevratný.

Z termofilních mikroorganizmů byly izolovány enzymy funkční a stabilní při teplotách, v nichž tyto organizmy žijí, tedy při 70–90 °C. Jejich makromolekuly jsou přitom vystavěny podle stejných principů jako u jiných bílkovin a liší se od svých termolabilních příbuzných jen malým počtem „konstrukčních změn“ stabilizujících prostorovou strukturu. Pochopení podstaty těchto změn již pokročilo natolik, že je možno je využít k přípravě nových enzymů s žádanými vlastnostmi. Tak postupoval Van den Burg se spolupracovníky z Nizozemí, Německa a Norska (Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 95, 2056, 1998). Autoři vyšli z proteolytického (bílkoviny štěpícího) enzymu „TLP-ste“ Bacillus stearothermophilus, který je středně termostabilní a štěpí kasein nejlépe při teplotě 74 °C. Porovnáním s příbuzným enzymem termolyzinem, který je při 80 °C více než desetkrát stabilnější, vytipovali malou oblast na povrchu molekuly, jejíž vlastnosti jsou pro stálost za vysoké teploty nejvýznamnější. V této oblasti o délce čtrnácti aminokyselin naplánovali na základě studia modelů a srovnání s termolyzinem osm změn v pořadí aminokyselin (mutací). Z osmi změn pět napodobovalo strukturu termolyzinu, další tři zahrnovaly vznik disulfidové vazby, která jako můstek pevně spojuje sousední části molekuly. K jejich provedení použili metody genového inženýrství, při nichž se část genu kódující žádanou řadu aminokyselin syntetizuje uměle chemickou cestou a vloží se pak do přírodního genu výměnou za původní sekvenci v daném místě. Mikroorganizmus se změněným genem produkuje změněnou bílkovinu (enzym). Ačkoli změna postihla jen osm z více než tří set aminokyselin enzymu TLP-ste, byly důsledky značné. Upravený enzym měl optimální teplotu štěpení bílkovin 95 °C, byl schopen fungovat při teplotě varu vody a ztratil zde polovinu své aktivity až za 170 minut. Termolyzin přitom při 100 °C úplně denaturuje během několika minut, a původní enzym TLP-ste dokonce po desítkách vteřin. Je zajímavé, že změny nesnížily schopnost enzymu štěpit bílkoviny při nižších teplotách (37 °C). Oproti původnímu enzymu se také mnohonásobně zvýšila odolnost enzymu k detergentům, což obojí je významné pro případné průmyslové využití. Popsaná práce je pěknou ukázkou toho, jak stále rostou schopnosti genového inženýrství připravovat nové, v přírodě se nevyskytující bílkoviny s výhodnějšími vlastnostmi.