محاكاة الانزيمات

إنزيم مقلد (أو انزيم اصطناعي ) هو فرع من فروع الكيمياء البيوميمتيكية (المحاكاة البيولوجية) يهدف إلى تقليد وظيفة الإنزيمات.  إنزيم التحاكي: هو جزيء صغير معقد يعرض التركيب الجزيئي والخصائص السبكتروسكوبية (خصائص التحليل الطيفي) ، أو مدى تفاعل الانزيم. (في بعض الاحيان تسمى المركبات المستوحاة من الاحياء).
وقد أنشأ علماء البحوث الطبية (مرك) أول إنزيمات في العالم مصنوعة من مواد وراثية اصطناعية. إن الانزيمات الاصطناعية، والتي يتم تصنيعها من الجزيئات التي لا تحدث في أي مكان في الطبيعة، هي قادرة على إثارة التفاعلات الكيميائية في المختبر.
البحث، الذي نشر اليوم في ناتوريوبنس في نافذة جديدة، يعطي رؤى جديدة في أصول الحياة ويمكن أن توفر نقطة انطلاق لجيل جديد تماما من المخدرات والتشخيص.
استندت هذه النتائج على العاملات السابقة في نافذة جديدة من قبل فريق في مختبر مرك من البيولوجيا الجزيئية في نافذة جديدة، والتي رأت لهم إنشاء جزيئات الاصطناعية تسمى 'شناس' التي يمكن تخزين وتمرير المعلومات الوراثية، بطريقة مماثلة إلى الحمض النووي.
وباستخدام شناز المعملية ككتل بناء، قام الفريق الآن بإنشاء "شنازيمات"، التي تعمل على تفاعلات بسيطة، مثل قطع أو خياطة قطع صغيرة من الحمض النووي الريبي، تماما مثل الإنزيمات التي تحدث بشكل طبيعي.
وقال الدكتور فيليب هوليجر، الذي قاد الأبحاث في مختبر مرك للأحياء الجزيئية:
"كل الحياة على الأرض تعتمد على سلسلة من التفاعلات الكيميائية، من هضم الطعام لجعل الحمض النووي في خلايانا. العديد من ردود الفعل هذه بطيئة جدا أن يحدث في درجات الحرارة المحيطة والضغوط، وتتطلب الإنزيمات لبدء أو "تحفيز" العملية. "
كل واحد من الخلايا لدينا يحتوي على الآلاف من الانزيمات المختلفة، وكثير منها هي البروتينات. ولكن بعض التفاعلات الأساسية الأساسية اللازمة للحياة يتم تنفيذها من قبل الحمض النووي الريبي، وهو ابن عم كيميائي قريب من الحمض النووي. ويعتقد أن الحياة نفسها قد بدأت مع تطور انزيم الحمض النووي الريبي النسخ الذاتي.
ويوضح الدكتور هوليجر: "حتى وقت قريب، كان يعتقد أن الحمض النووي و الحمض النووي الريبي هما الجزيئات الوحيدة التي يمكنها تخزين المعلومات الجينية و، جنبا إلى جنب مع البروتينات، الجزيئات الحيوية الوحيدة القادرة على تشكيل الإنزيمات. ويقترح عملنا أن هناك، من حيث المبدأ، عدد من البدائل الممكنة لجزيئات الطبيعة التي ستدعم العمليات الحفازة اللازمة للحياة. الحياة 'اختيار' من الحمض النووي الريبي والحمض النووي قد يكون مجرد حادث من الكيمياء ما قبل التاريخ.

نظرة عامة

الإنزيمات هي المحفزات البيولوجية: البوليمرات الحيوية التي تحفز التفاعل. على الرغم من أن عدد قليل من الإنزيمات الطبيعية مبنية من الحمض النووي الريبي المسمى ريبوزيمات - معظم الإنزيمات هي بروتينات. مثل أي بروتين آخر الانزيم هو بوليمر من الأحماض الأمينية مع العوامل المساعدة المضافة وغيرها من التعديلات البعد-تحولية. غالبا ما يكون معظم بوليمر الأحماض الأمينية متشارك بشكل غير مباشر مع وظيفة الإنزيمات، وربما توفر بنية إضافية أو توصيلية، أو تنظيم نشاط غير مباشر، أو تحديد جزيئي للانزيم. ونتيجة لذلك، فإن معظم الإنزيمات هي جزيئات كبيرة تزن عدة كيلودالتونات. هذا الجزء الأكبر يمكن أن يحجب تقنيات التحقيق المختلفة مثل الرنين المغناطيسي النووي، رنين الالكترون متوازي المغنطيسية (PCR)، الكيمياء الكهربائية، البلورات، من بين أمور أخرى. ومن الممارسة المعتادة مقارنة البيانات الطيفية من الإنزيمات إلى البيانات الطيفية مماثلة المستمدة من جزيئات صغيرة تتميز بخصائص أفضل. وبهذه الطريقة تطور فهم الإنزيمات الفلزية وغيرها من البروتينات الفلزية. في كثير من الحالات تم إنشاء نظير جزيئي صغير لأسباب أخرى. ومع ذلك، فقد كان شائعا على نحو متزايد للمجموعات أن تقوم عمدا بجعل نظير جزيئي صغير المعروف أيضا باسم محاكاة الانزيم. هذه محاكاة الإنزيمات هي أمثلة رئيسية للكيمياء الحيوية غير العضوية.

الحافز

معظم دراسات محاكاة الإنزيم محفزة وراء مجموعة من العوامل بما في ذلك العوامل التي لا علاقة لها بالانزيم. ويرد أدناه العديد من العوامل المرتبطة بالانزيم.
تحديد بنية المواقع النشطة. ولا يزال عدد من المواقع النشطة الهامة غير محدد. وهذا يشمل المركبات المنشئة للأكسجين والنيتروجيناز. في محاولة لفهم هذه الإنزيمات يتم إنشاء نظير جزيئي صغير ومقارنتها مع البيانات الموجودة للبروتينات.
فهم وظيفة المواقع النشطة. هيكل بعض الانزيمات مميزة جدا، ومع ذلك، فإن وظيفة بعض مكونات الموقع النشط غير مفهومة جيدا. وغالبا ما يتم التحقيق في ذلك من خلال الطفرات الموجهة للموقع. وبالإضافة إلى ذلك فإن تجميع مركب نموذجي يمكن أن يشير إلى وظيفة مختلف المكونات.
اعادة انتاج وظيفة الإنزيمات. وهناك عدد من الانزيمات هي التي تهمنا لأنها تحفز التفاعل الذي يجده الكيميائي تحديا. وتشمل هذه التفاعلات الأكسدة الجزئية للهيدروكربونات بواسطة الميثان مونوكسيجناس (MMO) أو اكسدة وإنتاج الهيدروجين بواسطة الهيدروجينيز. تم تصميم انزيمات اصطناعية فعالة أو محفزات مستوحاة من الاحياء مع خصائص الانزيم على أمل إعادة إنتاج وظائف الإنزيمات.

امثلة هامة 

هذه القائمة مختصرة للغاية من حيث الإنزيمات المحاكية والمحققين الأساسيين العاملين على كل إنزيم اصطناعي.
عمل ريتشارد هولم على تقليد النيتروجيناز وخلق كتل الحديد والكبريت.
عمل ستيفن ليبارد على الميثان أحادي الأكسجين (MMO).
عمل توماس روشفوس، ومارسيتا دارينسبورغ وكريستوفر بيكيت على محاكي الهيدروجينيز.
عمل هاري جراي مع مركبات البورفيرين.
رونالد بريسلو و لاري E. أوفرمان صاغ مصطلح "الانزيم الاصطناعي".
وقد أنشأ علماء البحوث الطبية أول إنزيمات في العالم مصنوعة من مواد وراثية اصطناعية. إن الانزيمات الاصطناعية، والتي يتم تصنيعها من الجزيئات التي لا تحدث في أي مكان في الطبيعة، هي قادرة على إثارة التفاعلات الكيميائية في المختبر.
البحث، الذي نشر اليوم في ناتوريوبنس في نافذة جديدة، يعطي رؤى جديدة في أصول الحياة ويمكن أن توفر نقطة انطلاق لجيل جديد تماما من المخدرات والتشخيص.
استندت هذه النتائج على العاملات السابقة في نافذة جديدة من قبل فريق في مختبر مرك من البيولوجيا الجزيئية في نافذة جديدة، والتي رأت لهم إنشاء جزيئات الاصطناعية تسمى 'شناس' التي يمكن تخزين وتمرير المعلومات الوراثية، بطريقة مماثلة إلى الحمض النووي.
وباستخدام شناز المعملية ككتل بناء، قام الفريق الآن بإنشاء "شنازيمات"، التي تعمل على تفاعلات بسيطة، مثل قطع أو خياطة قطع صغيرة من الحمض النووي الريبي، تماما مثل الإنزيمات التي تحدث بشكل طبيعي.
وقال الدكتور فيليب هوليجر، الذي قاد الأبحاث في مختبر مرك للأحياء الجزيئية:
"كل الحياة على الأرض تعتمد على سلسلة من التفاعلات الكيميائية، من هضم الطعام لجعل الحمض النووي في خلايانا. العديد من ردود الفعل هذه بطيئة جدا أن يحدث في درجات الحرارة المحيطة والضغوط، وتتطلب الإنزيمات لبدء أو "تحفيز" العملية. "
كل واحد من الخلايا لدينا يحتوي على الآلاف من الانزيمات المختلفة، وكثير منها هي البروتينات. ولكن بعض التفاعلات الأساسية الأساسية اللازمة للحياة يتم تنفيذها من قبل الحمض النووي الريبي، وهو ابن عم كيميائي قريب من الحمض النووي. ويعتقد أن الحياة نفسها قد بدأت مع تطور انزيم الحمض النووي الريبي النسخ الذاتي.
ويوضح الدكتور هوليجر: "حتى وقت قريب، كان يعتقد أن الحمض النووي و الحمض النووي الريبي هما الجزيئات الوحيدة التي يمكنها تخزين المعلومات الجينية و، جنبا إلى جنب مع البروتينات، الجزيئات الحيوية الوحيدة القادرة على تشكيل الإنزيمات. ويقترح عملنا أن هناك، من حيث المبدأ، عدد من البدائل الممكنة لجزيئات الطبيعة التي ستدعم العمليات الحفازة اللازمة للحياة. الحياة 'اختيار' من الحمض النووي الريبي والحمض النووي قد يكون مجرد حادث من الكيمياء ما قبل التاريخ.
ويضيف الدكتور أليكس تايلور، المؤلف الأول للدراسة في مختبر فيل هوليغر في مختبر مرك للبيولوجيا الجزيئية، ومساعد باحث في مرحلة ما بعد الدكتوراه في كلية سانت جون في كامبريدج: "إن إنشاء دنا اصطناعي والانزيمات الآن من كتل البناء التي لا وجود لها في الطبيعة أيضا يثير احتمال أنه إذا كان هناك حياة على كواكب أخرى، قد تكون قد نشأت من مجموعة مختلفة تماما من الجزيئات، ويوسع عدد ممكن من الكواكب التي قد تكون قادرة على استضافة الحياة. "
الحمض النووي و الحمض النووي الريبي هي اللبنات الأساسية للحياة، وتخزين جميع المعلومات الوراثية لدينا وتمريرها إلى الأجيال القادمة.
في عام 2012، أظهرت مجموعة الدكتور هوليجر أن ستة جزيئات بديلة، تدعى شناز، يمكن أيضا تخزين المعلومات الجينية وتتطور من خلال الانتقاء الطبيعي. وقد توسعت الآن على هذا المبدأ لاكتشاف، لأول مرة، أربعة أنواع مختلفة من محفز الاصطناعية تشكلت من هذه اللبنات غير طبيعية تماما.
إن زنازيمات (XNAzymes) قادرة على تحفيز ردود فعل بسيطة مثل قطع وربط خيوط الحمض النووي الريبي في أنبوب الاختبار. واحد من زنازيمس يمكن انضمام الخيوط معا، والتي تمثل واحدة من الخطوات الأولى لإنشاء نظام الحياة
ونظرا لأن زنازيماتها أكثر استقرارا بكثير من الإنزيمات التي تحدث طبيعيا، يعتقد العلماء أنها يمكن أن تكون مفيدة بشكل خاص في تطوير علاجات جديدة لمجموعة من الأمراض، بما في ذلك السرطان والعدوى الفيروسية، والتي تستغل العمليات الطبيعية للجسم لتتأصل في الجسم.
وأضاف الدكتور هوليجر: "لدينا شناز قوية كيميائيا للغاية، لأنها لا تحدث في الطبيعة، فإنها لا تعترف بها الانزيمات المهينة الطبيعية في الجسم. وهذا قد يجعلهم مرشحا جذابا للعلاجات طويلة الأمد التي يمكن أن تعطل رنا المرتبطة بالأمراض. "
وقال البروفيسور باتريك ماكسويل، رئيس مجلس الطب الجزيئي والخلوي في مركز موارد المهاجرين:
"البيولوجيا التركيبية تقدم بعض التقدم المدهش حقا الذي يعد لتغيير الطريقة التي نفهمها وعلاج المرض. المملكة المتحدة تتفوق في هذا المجال، وهذا التقدم الأخير يوفر فرصة محيرة لاستخدام أجزاء البيولوجية مصمم كنقطة انطلاق لمجموعة جديدة تماما من العلاجات والأدوات التشخيصية التي هي أكثر فعالية ولها حياة أطول. "
تحفيز الانزيم من التفاعلات الكيميائية التي تحدث بانتقائية العالية ومعدل. يتم تنشيط الركيزة في جزء صغير من جزيء انزيم يسمى الموقع النشط. هناك، الربط من مجموعات وظيفية في الانزيم يسبب تحفيز من قبل ما يسمى آثار القرب. فمن الممكن خلق محفزات مماثلة من جزيء صغير من خلال الجمع بين الركيزة ملزمة مع المجموعات الوظيفية المحفزة. الانزيمات الاصطناعية الكلاسيكية تربط ركائز باستخدام مستقبلات مثل سيكلودكسترين، إيثر تاجية، و كاليكسارين.
الإنزيمات الاصطناعية تعتمد على الأحماض الأمينية أو الببتيدات مثل سمات الجزيئية المميزة التي قد وسعت مجال الانزيمات الاصطناعية أو تحاكي الانزيمات. على سبيل المثال، بقايا الهستيدين يحاكي بعض ميتالوبروتينز و -أنزيمات مثل هيموسيانين، التيروزيناز، وأوكسيديز الكاتيكول).
وقد صممت الانزيمات الاصطناعية من الصفر عن طريق استراتيجية حسابية باستخدام روزيتا Rosetta. وفي كانون الأول / ديسمبر 2014، أعلن أن الإنزيمات النشطة قد أنتجت من جزيئات اصطناعية لا تحدث في أي مكان في الطبيعة. في عام 2017، تم نشر فصل كتاب بعنوان "الإنزيمات الاصطناعية: الموجة التالية"...
-النانوزيمات:
النانوزيمات هي المواد النانوية مع خصائص تشبه الانزيم.وقد تم استكشافها على نطاق واسع لمختلف التطبيقات، مثل بيوسنسينغ، بيويماجينغ، تشخيص الورم والعلاج، أنتيبيوفولينغ.
1990s
وفي عامي 1996 و 1997، اكتشف ديسموتاز الفائق (سود) محاكاة أنشطة مشتقات الفوليرين.
2000S
في عام 2004، صاغ مصطلح "النانوزيمات" من قبل فلافيو مانيا، فلورنسا بودار هويلون، لوسيا باسكواتو، وبولو سينيتي. في عام 2006، تم استخدام نانوسريا (أي، SiO2 النانوية) لمنع انحطاط الشبكية الناجم عن بيروكسيدات داخل الخلايا. في عام 2007، ذكرت زيون يان وزملاؤه أن الجسيمات النانوية المغناطيسية تمتلك نشاطا جوهريا يشبه البيروكسيداز. في عام 2008، وضعت هوى وي و إركانغ وانغ منصة استشعار أكسيد النانو أكسيد الحديد مقرها للجزيئات النشطة بيولوجيا (مثل بيروكسيد الهيدروجين والجلوكوز).
2010S
في عام 2012، تم إعداد المؤتلف البشري سلسلة ثقيلة الفيريتين المغلفة أكسيد الحديد جسيمات متناهية الصغر مع النشاط تشبه البيروكسيداز وتستخدم لاستهداف وتصور أنسجة الورم. في عام 2012، استخدمت الفاناديوم خامس أكسيد النانوية مع أنشطة الفاناديوم هالوبيروكسيداز محاكاة للوقاية من الحيوي الأحيائي. في عام 2014، تبين أن كاربوكسيفوليرين يمكن أن تستخدم لعلاج بوستينجوري العصبية في الرئيسيات غير البشرية باركنسونيان. في عام 2015، اقترح استراتيجية تنظيم سوبرامولكولار لتعديل نشاط النانزيمات القائمة على الذهب للتصوير والتطبيقات العلاجية. وتم تطوير شريط نانوزيمي للتشخيص المحلي السريع للإيبولا. تم استخدام النانوزيريا النانوسرية لاستشعار الحمض النووي. وقد تم تطوير نانوزيم متكامل لرصد الوقت الحقيقي للتغيرات الديناميكية للجلوكوز الدماغي في أدمغة المعيشة. سو (أوه) تم الإبلاغ عن 2 نانوزيم مع أنشطة تشبه البيروكسيداز.
-المؤتمرات:
وقد ركزت عدة مؤتمرات على النانوزيمات. في عام 2015، عقدت ورشة عمل النانوزيم لفي الندوة الآسيوية التاسع للجمعيات البيوفيزياء (أبا). في بيتكون 2016، تم تخصيص شبكة بعنوان "النانوزيمات في الكيمياء التحليلية وما بعدها" للنانوزيمات. وقد كرس مؤتمر العلوم شيانغشان لبحوث النانوزيم. وقد خصصت جلسة علمية "للتحليل النانوي الحيوي الحيوي" في المؤتمر الصيني الخامس عشر للفيزياء الحيوية.