Ферменты в природе миллионы лет оттачивали свое мастерство, чтобы ускорять химические реакции.

Но теперь ученые из Института динамики и самоорганизации Макса Планка нашли универсальные правила, по которым можно создавать искусственные ферменты с нуля.

Результаты опубликованы в издании Chem Catalysis.

В качестве примера они разобрали реакцию расщепления димера на два мономера.

Изучив геометрию взаимодействия фермента и субстрата, они сформулировали три ключевых принципа, без которых эффективный фермент не построить.

1. Во-первых, место соединения фермента и молекулы должно находиться на их более узких концах — так достигается максимальное сцепление.
2. Во-вторых, изменение формы фермента не может быть меньше, чем изменение в самой реакции.
3. И наконец, этот процесс должен происходить достаточно быстро, чтобы усилить химический импульс реакции.

Мы опирались на два фундаментальных принципа, — объясняет Рэмин Голестаниан, директор института. — Сохранение импульса и связь между координатами реакции.

Обычно модели ферментативных реакций представляют в виде двумерной системы, где нужно преодолеть энергетический барьер. Но здесь ученые пошли дальше.

Мы учитываем динамику фермента и его взаимодействие с субстратом, поэтому рассматриваем две координаты, — говорит Михалис Хадзиттофи, ведущий автор исследования. — Вместо того чтобы пробивать барьер, можно просто обойти его по другому пути.

Эти результаты открывают новые возможности для проектирования молекулярных машин, избавляя от трудоемких расчетов движения каждого атома в отдельности.

Этот подход кардинально упрощает дизайн искусственных ферментов, что может привести к прорывам в медицине (например, созданию ферментов, расщепляющих токсины) и биоинженерии (синтез новых материалов).

Также это экономит вычислительные ресурсы — вместо симуляции каждой молекулы можно использовать общие правила.

Пока что метод проверен только на одной конкретной реакции — расщеплении димера.

Нет уверенности, что эти правила сработают для более сложных процессов, где задействованы множественные взаимодействия.

Ранее ученые впервые измерили скорость фермента, расщепляющего древесину.