“अगर लोग खरोंच से बहुत प्रभावी एंजाइम डिजाइन कर सकते हैं, तो आप कई महत्वपूर्ण समस्याओं को हल कर सकते हैं,” पेपर के वरिष्ठ लेखक यांग यांग ने कहा। उदाहरण के लिए, स्क्रैच से एंजाइमों को डिजाइन करने से उनकी अंतर्निहित चयनात्मकता और दक्षता को खोए बिना प्राकृतिक उत्प्रेरक में पाए जाने वाले फ़ंक्शन और स्थिरता की सीमाओं को पार किया जा सकता है।

“बुनियादी शोध के लिए, रसायनज्ञ और जीवविज्ञानी लंबे समय से खरोंच से एंजाइमों को डिजाइन करने में सक्षम होना चाहते हैं।”

अनुकूलित प्रोटीन उत्प्रेरक

जैविक और सिंथेटिक उत्प्रेरक रसायन विज्ञान में मुख्य बल हैं। वे उन प्रतिक्रियाओं को प्राप्त करने और तेज करने के लिए जिम्मेदार हैं जो लक्ष्य अणु की संरचना को बदलते हैं। यांग के अनुसार, विशेष रूप से एंजाइम “प्रकृति के विशेषाधिकार प्राप्त उत्प्रेरक” हैं क्योंकि चयनात्मकता और दक्षता के स्तर के कारण इन प्रोटीनों में उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं में है।

हालांकि, प्राकृतिक एंजाइम संकीर्ण परिस्थितियों में काम करते हैं और कुछ वातावरणों में कुछ अणुओं के अनुकूल होते हैं। बायोकैटलिटिक्स की शक्ति को अधिक अणुओं में लाने के लिए, वैज्ञानिक डे नोवो प्रोटीन डिजाइन की ओर रुख कर रहे हैं, एक नीचे-ऊपर दृष्टिकोण जो विशिष्ट संरचनाओं और कार्यों के साथ प्रोटीन बनाने के लिए अमीनो एसिड बिल्डिंग ब्लॉकों का उपयोग करता है। अधिकांश एंजाइमों की तुलना में डे नोवो प्रोटीन का आकार अपेक्षाकृत छोटा है। उनकी उत्कृष्ट थर्मल और कार्बनिक विलायक स्थिरता तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला और 60% कार्बनिक सॉल्वैंट्स तक की अनुमति दे सकती है, और वांछित परिणामों के लिए प्रोटीन को और अधिक अनुकूलित करने के लिए प्रकृति में पाए जाने वाले विभिन्न प्रकार के कॉफ़ैक्टर्स का उपयोग करना संभव है।

“तो, यहां, पिट और पेंग लियू के समूह में बिल डिगैडो के समूह के साथ काम करते हुए, हमारे पास एक वर्कफ़्लो है जो बहुत ही सरल और छोटे स्पाइरो-बीम प्रोटीन को बहुत कुशल और बहुत चयनात्मक एंजाइमों में परिवर्तित करता है, जो उपयोगी प्रतिक्रियाओं के संश्लेषण को उत्प्रेरित करता है,” यांग ने शोधकर्ताओं के लिए वैचारिकता का प्रमाण दिया। यांग के अनुसार, परियोजना को एंजाइम बनाने के लिए डे नोवो प्रोटीन डिजाइन के उपयोग की आवश्यकता होती है जो कार्बन-कार्बन या कार्बन-सिलिकॉन बॉन्ड बना सकते हैं, जो यांग के अनुसार, “प्रभावी प्राकृतिक एंजाइमों की कमी हैं।”

फिर वे एक फ्रेमवर्क के रूप में पेचदार बंडल प्रोटीन का उपयोग करते हैं और फिर बंडल को एक एंजाइम में बदलने के लिए वांछित कार्यों और गुणों के साथ प्रोटीन संरचनाओं से बना अमीनो एसिड अनुक्रमों को डिजाइन करने के लिए अत्याधुनिक कृत्रिम बुद्धिमत्ता के तरीकों का उपयोग करते हैं।

“पहले के वेरिएंट उचित उत्प्रेरक हैं, लेकिन सबसे अच्छे नहीं हैं, क्योंकि दक्षता और चयनात्मकता मामूली हैं।” परिणामी प्रोटीन के एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी के आधार पर, उन्हें एक संरचना में एक “अराजक अंगूठी” मिली, जो अच्छी तरह से संगठित हेलिक्स थी। लूप सर्च एल्गोरिथ्म का उपयोग करके डिजाइन का यह दूसरा दौर उच्च गतिविधि और उत्कृष्ट स्टीरियोसेलेक्टिविटी के साथ 10 में से 4 डिजाइन के परिणामस्वरूप हुआ।

“दूसरे शब्दों में, जबकि एआई-आधारित प्रोटीन डिजाइन विधियां बहुत उपयोगी हैं, एक बहुत अच्छा उत्प्रेरक होने के लिए, हमें अभी भी आंतरिक एल्गोरिदम और हमारे रासायनिक अंतर्ज्ञान के साथ सब कुछ सही तरीके से करना होगा,” यांग ने कहा।

परियोजना की सफलता से पता चलता है कि डे नोवो प्रोटीन डिजाइन कैटलिसिस में एक शक्तिशाली उपकरण हो सकता है जो रसायनज्ञों को अधिक कुशल, चयनात्मक प्रतिक्रियाओं और उत्पादों को कम आसानी से प्राकृतिक एंजाइम या छोटे अणुओं के साथ पहुंचा सकते हैं।

“यदि आप वास्तव में डिजाइन सिद्धांतों को समझते हैं, तो आप किसी भी कॉफ़ेक्टर का उपयोग करने के लिए प्रोटीन उत्प्रेरक का निर्माण कर सकते हैं जिसे आप उपयोग करना चाहते हैं और पानी के लिए एक चुनौतीपूर्ण संक्रमण को प्राप्त कर सकते हैं, एक प्रतिक्रिया माध्यम की तरह हरे रंग का विलायक,” यांग ने कहा।

डेग्रैडो लैब और लियू लैब के साथ काम करते हुए, यांग की लैब में आगे के काम में उन तरीकों की खोज शामिल होगी जो प्राकृतिक एंजाइम को सरल, छोटे लेकिन समान रूप से सक्रिय डे नोवो एंजाइमों की नकल करते हैं और नए डे नोवो एंजाइमों को उत्पन्न करते हैं जो प्रकृति में अज्ञात तंत्रों से चलते हैं।

इस लेख में शोध कापेंग होउ, वेई हुआंग, मियाओ क्वि, थॉमस एच। टुगवेल, तुर्की अल्टुराइफी, युडा चेन, जिंगजी झांग, लेई लू और सैमुअल आई। मान द्वारा किया गया था।