این تحقیق تنها اولین قدم در همکاری است که به طور بالقوه به ابزارها و داروهای شیمیایی جدید منجر می شود.
هر پروتئین در بدن شما از همان 20 واحد ساختمانی به نام اسیدهای آمینه ساخته شده است. اما فقط به این دلیل که طبیعت با یک ابزار محدود گیر کرده است به این معنی نیست که انسان نمی تواند آن را گسترش دهد.
مطالعه‌ای که توسط گروهی از شیمیدان‌های پیتدر Science منتشر شده است، روش جدید قدرتمندی را برای ایجاد اسیدهای آمینه «غیر طبیعی» توصیف می‌کند که می‌تواند در درمان‌های مبتنی بر پروتئین استفاده شود و شاخه‌های جدیدی از شیمی آلی را باز کند.
پنگ لیو، استاد شیمی در دانشکده هنر و علوم Kenneth P. Dietrich و نویسنده مرتبط در این مقاله، گفت: “این یک تحول کاملاً جدید است: جدید در طبیعت و جدید در شیمی.” گفتن به آنزیم برای ایجاد یک پیکربندی غیرطبیعی از اسید آمینه غیرعادی است و شما باید این کار را با مهندسی زیستی دقیق انجام دهید.
فقط یک تکه از یک پروتئین بزرگ‌تر را تغییر دهید، و می‌توانید شکل آن و عملکرد آن را تغییر دهید – بنابراین آمینو اسیدهای غیرطبیعی نویدبخش انواع جدیدی از درمان‌ها مانند آنتی‌بیوتیک‌ها یا سرکوب‌کننده‌های ایمنی هستند که از پروتئین‌ها یا پسرعموهای کوچک‌ترشان استفاده می‌کنند.
با این حال، ایجاد چنین مولکول‌هایی در آزمایشگاه، فرآیندی طاقت‌فرسا و چند مرحله‌ای است: تکه‌های اسید آمینه که به یکدیگر متصل می‌شوند تا یک زنجیره پروتئینی را تشکیل دهند، باید محافظت شوند زیرا محققان بقیه مولکول را از نظر شیمیایی تغییر می‌دهند. واکنشی که در مقاله جدید توضیح داده شد، ساده‌تر و کارآمدتر است و به شیمیدانان سطح بی‌سابقه‌ای از کنترل بر نحوه جهت‌گیری گروه‌های اتم در مولکول حاصل را ارائه می‌دهد.
همچنین از یک ابزار شیمیایی، آنزیم PLP، به روشی غیرمعمول استفاده می کند. آنزیم‌ها پروتئین‌هایی هستند که واکنش‌ها را کاتالیز می‌کنند—معمولاً، حتی زمانی که عملکرد آنها توسط مهندسی زیستی تغییر می‌کند، تنها کاری که می‌توانند انجام دهند سرعت بخشیدن به فرآیندهای شیمیایی شناخته شده است که شیمیدانان می‌توانند به روش‌های دیگر، هرچند آهسته‌تر به آن دست یابند. اما همراه با یک کاتالیزور مولکولی حساس به نور، آنزیم در این واکنش جدید می‌تواند بسیار بیشتر از این باشد.
لیو می‌گوید: «شما می‌توانید استدلال کنید که آنزیم‌های مهندسی زیستی کارایی بهتری نسبت به کاتالیزورهای مولکولی کوچک دارند، اما آنها همان واکنش را کاتالیز می‌کنند.» اما این یک واکنش کاملا جدید است. قبلاً وجود نداشت.»
گروه لیو از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری برای کشف رقص پیچیده‌ای که در واکنش شیمیایی در سطح اتم‌ها و الکترون‌ها رخ می‌دهد، استفاده می‌کند و «چرا» را به «چی» که توسط گروه‌هایی که آزمایش‌ها را انجام می‌دهند، اضافه می‌کنند. برای این مقاله، لیو و پیت، محقق فوق دکتری، بین خان مای، با تیمی از محققان در UC سانتا باربارا به رهبری یانگ یانگ کار کردند – همکاری ای که از سال 2014، زمانی که یانگ تابستانی را در آزمایشگاه لیو به عنوان یک دانشجوی فارغ التحصیل میهمان گذراند، ادامه دارد. .
لیو و مای داده‌های ارائه شده توسط گروه یانگ را بررسی می‌کنند تا بفهمند واکنش چگونه و چرا رخ داده است، و گام‌های میانی را که برای شیمیدان‌ها نامرئی است، متحیر می‌کنند. در یک مرحله، این دو با دقت خاصی به این موضوع پرداختند که یک الکترون باید در مسیر خود بین دو مولکول، مسافت غیرمعمول طولانی را طی کند. لیو گفت: «ما مجبور بودیم مدل‌سازی دقیقی در مورد احتمال این اتفاق انجام دهیم، زیرا این گامی است که برای طبیعت جدید است و از کل مکانیسم واکنش پشتیبانی می‌کند.
پشتوانه این مدل ها قدرت محاسباتی فوق العاده ای است. لیو از مرکز محاسبات تحقیقاتی پیت به عنوان یک عنصر ضروری در موفقیت آزمایشگاه یاد می کند، زیرا شبیه سازی های پیچیده ای که این گروه برای درک پیچیدگی های واکنش های شیمیایی انجام می دهد، نیازمند زمان با ابررایانه های پیشرفته و قدرتمند است.
با این حال، هنوز سوالاتی وجود دارد که پاسخی برای آنها وجود ندارد و این مقاله تنها اولین گام از یک سری همکاری بین دو تیم است. اگر آنها بتوانند بهتر درک کنند که چرا واکنش غیرعادی رخ می دهد، گروه لیو ممکن است توانایی مهار آن را در زمینه های مختلف برای ایجاد طیف گسترده ای از ابزارهای شیمیایی جدید، داروها و موارد دیگر باز کند.
لیو گفت: «می‌توانید به این فکر کنید که چند نوع اسید آمینه غیرطبیعی می‌توانید بسازید—تعداد تقریباً نامحدودی وجود دارد. «پس آیا می‌توانیم از این بینش برای ایجاد واکنش‌های جدید دیگر نیز استفاده کنیم؟»
– این بیانیه مطبوعاتی در ابتدا در وب سایت دانشگاه پیتسبورگ منتشر شد