Comprendere la specificità di un enzima partendo dalla sua struttura tridimensionale: il caso della 7β-HSDH

Di Simone Savino
Revisionato da Elena Mutti

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Nel lavoro recentemente pubblicato sulla rivista Proteins abbiamo determinato la struttura tridimensionale di un enzima interessante perché utilizzabile in processi industriali di biocatalisi. I risultati ottenuti ci hanno permesso di comprendere come fa questo enzima ad interagire in modo specifico solo con alcune specie chimiche, e a convertirle efficientemente in principi attivi di interesse farmacologico.

Gli enzimi, presenti in tutti gli organismi viventi, sono delle proteine ad azione catalitica, che hanno quindi la capacità di facilitare le reazioni chimiche. Gli enzimi sono essenziali per lo svolgimento delle funzioni vitali degli organismi viventi, ma sono anche sfruttati da sempre (prima inconsapevolmente e solo dal 1800 con cognizione di causa) per la produzione o la lavorazione di beni. Infatti, nell’ambito delle biotecnologie, la cosiddetta “chimica verde”, ossia lo sfruttamento di enzimi provenienti da microorganismi per sostituire molti agenti chimici fortemente inquinanti in importanti processi industriali, costituisce una risorsa inestimabile.

La chimica verde viene così definita sia in quanto cerca di sfruttare processi biologici che, in quanto tali, generano prodotti di scarto poco inquinanti, sia in quanto si prefigge di riciclare proprio quei prodotti che rappresentano lo scarto di precedenti processi produttivi. Le condizioni ambientali in cui si svolgono i processi biologici consentono inoltre di ridurre i costi necessari per lo svolgimento delle reazioni; basti pensare al fatto che non è necessario portare le reazioni ad alte temperature perché esse avvengano efficientemente.

Un ulteriore vantaggio nell’uso degli enzimi risiede nella specificità con la quale catalizzano reazioni. Per intenderci, quando una molecola (chiamata in chimica substrato) viene catturata da un enzima all’interno della tasca in cui avviene la reazione (sito attivo), il prodotto di questa reazione sarà altamente specifico e rappresentato per la maggior parte da un’unica molecola. Questa capacità non si estende alle altre reazioni chimiche non catalizzate da enzima, le quali essendo spesso aspecifiche, generano più di una molecola, in diverse percentuali.

Avendo a disposizione un repertorio vasto quanto l’intero pianeta, è possibile, tramite metodologie che vanno dalla bioinformatica alla biochimica, cercare enzimi che catalizzino una certa reazione oppure che producano selettivamente una determinata molecola. Tra la miriade di enzimi ad attività nota si può dunque scegliere di lavorare su quello che mostra la più alta resa nella produzione di un certo composto.

Nell’articolo recentemente pubblicato sulla rivista Proteins, il nostro lavoro ha cercato di spiegare i meccanismi d’azione dall’enzima 7β-HSDH per la produzione di acido ursodesossicolico, un principio attivo approvato dall’ente statunitense per il farmaco (FDA) per il trattamento dei calcoli biliari.

Attraverso l’analisi, mediante cristallografia a raggi-X (per maggiori informazioni su queste tecniche vi invitiamo a leggere questo articolo AIRInforma sulla biologia strutturale [footnote number=”2″ ]Allegretti, M. (2014) La Biologia Strutturale in Movimento, AIRInforma, 04-10-2014[/footnote]), della struttura tridimensionale dell’enzima, e grazie al confronto con un secondo enzima molto simile a struttura già nota, abbiamo proposto un modello in cui la differente selettività è spiegata dall’alloggiamento della molecola entro l’enzima. In particolare i substrati vengono ospitati dai due enzimi in una tasca che presenta la stessa posizione, ma una forma differente (quasi un’immagine speculare, come accade quando si confrontano la mano destra e la mano sinistra, come esemplificato nella figura qui sotto). In questo modo i substrati si legano all’interno della tasca dell’enzima in modo diametralmente opposto l’uno dall’altro, mantenendo comunque invariato l’ambiente circostante, responsabile del funzionamento del’enzima stesso. Al fine di validare le osservazioni fatte, sono state costruite delle varianti “tronche” dell’enzima e, attraverso dei saggi biochimici sull’enzima stesso e su queste varianti, è stato possibile confermare come le poche differenze tra le due proteine costituiscano l’elemento distintivo per la selettività del substrato.

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I risultati presentati costituiscono un avanzamento nella comprensione dei meccanismi utilizzati da questi enzimi per discernere i substrati e confermano le conoscenze sulle modalità di reazione con cui operano la loro catalisi. Sarà possibile, con molta probabilità, ampliare le potenzialità dell’enzima 7β-HSDH in biocatalisi attraverso la modifica razionale del suo sito attivo, in modo da aumentarne l’efficienza.

Bibliografia

[1] Savino, S., Ferrandi, E.E., Forneris, F., Rovida, S., Riva, S., Monti, D., Mattevi, A. (2016 Mar 23) Structural and biochemical insights into 7β-hydroxysteroid dehydrogenase stereoselectivity. Proteins. in press.

[2] Allegretti, M. (2014) La Biologia Strutturale in Movimento, AIRInforma, 04-10-2014.

About the Author

Simone Savino
Nato a Pavia, classe 1990. Ottiene una laurea triennale in Biotecnologie ed una specialistica in Molecular Biology and Genetics, entrambi presso l’Università degli Studi di Pavia. Una volta conseguito il titolo con una tesi sperimentale sulla cristallizzazione e determinazione strutturale di un nuovo enzima di interesse biocatalitico, vince una posizione come dottorando presso il dipartimento di Biologia e Biotecnologie dell’università di Pavia. Grazie ad una borsa messa a disposizione da ACIB (Centro Austriaco per le Biotecnologie Industriali), si occupa al momento di un progetto sulla determinazione strutturale di enzimi applicabili alla chimica verde.

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