Ученые нашли в природе ферменты, которые могли бы заменить токсичные химикаты

Примерно в 900 милях от побережья Португалии в центре Атлантического океана возвышаются девять крупных островов. Зеленый и вулканический архипелаг Азорских островов обладает богатым биоразнообразием, которое заставляет ученого-исследователя Марлона Кларка возвращаться сюда за новыми впечатлениями. «У вас действительно интересная биогеография», — говорит Кларк. «Между континентами существует реальное разделение, но существует межостровное распространение растений, семян и животных».

По любым стандартам это визуальный рай, но на микроскопическом уровне здесь есть на что посмотреть. Богатая питательными веществами вулканическая порода Азорских островов — и ее сеть лагун, систем пещер и термальных источников — является домом для огромного количества микроорганизмов, обитающих в самых разных микроклиматах с разной высотой и температурой.

Кларк работает в Basecamp Research, биотехнологической компании со штаб-квартирой в Лондоне, и его работа — собирать образцы из экосистем по всему миру. Извлекая ДНК из почвы, воды, растений, микробов и других организмов, Basecamp создает обширную базу данных белков Земли. Хотя ДНК сама по себе не является белком, информация, хранящаяся в ДНК, используется для создания белков, поэтому извлечение, секвенирование и аннотирование ДНК позволяют обнаруживать уникальные белковые последовательности.

Благодаря тому, что они находят в центре Атлантики и за ее пределами, подробная база данных Basecamp постоянно пополняется. Результаты могут иметь важное значение для устранения ущерба, нанесенного токсичными химикатами, и поиска альтернатив этим химикатам.

Белки обеспечивают структуру и функции всех живых организмов. Некоторые из этих функциональных белков представляют собой ферменты, которые буквально заставляют вещи происходить.

«Промышленная химия сильно загрязняет окружающую среду, особенно химия, используемая при разработке фармацевтических лекарств. Биокатализ дает преимущества как для создания более сложных лекарств, так и для большей устойчивости, снижая загрязнение и токсичность традиционной химии», — говорит Ахир Пушпанат, возглавляющий партнерские отношения в Basecamp.

«Ферменты — это прекрасно развитые катализаторы», — говорит Ахир Пушпанат, руководитель партнерских отношений в Basecamp. «Ферменты — это, по сути, просто полимеры, а полимеры состоят из аминокислот, которые являются строительными блоками природы». Он предлагает думать об этом как о LEGO: если у вас есть несколько деталей Lego и вы используете их для создания структуры, выполняющей определенную функцию, «по сути, именно так работает фермент. В природе эти памятники эволюционировали, чтобы заниматься химией жизни. Если бы у нас не было ферментов, мы бы не были живы».

В нашем организме ферменты катализируют все: от зрения до переваривания пищи и восстановления мышц. Эти же типы ферментов необходимы в фармацевтической, агрохимической и тонкой химической промышленности. Но промышленные условия отличаются от тех, которые существуют внутри нашего тела. Поэтому, когда ученым нужны определенные химические реакции для создания определенного продукта или вещества, они создают в своих лабораториях собственные катализаторы — обычно с использованием нефти и тяжелых металлов.

Эти нефтехимические продукты эффективны и экономичны, но они расточительны и часто опасны. В условиях растущей обеспокоенности по поводу устойчивости и долгосрочного здоровья населения крайне важно найти альтернативные решения токсичным химическим веществам. «Промышленная химия сильно загрязняет окружающую среду, особенно химия, используемая при разработке фармацевтических лекарств», — говорит Пушпанат.

Basecamp пытается заменить созданные в лаборатории катализаторы ферментами, встречающимися в дикой природе. Эта концепция называется биокатализом, и теоретически все, что нужно сделать ученым, — это найти ферменты, подходящие для их конкретных нужд. Тем не менее, исторически исследователи изо всех сил пытались найти ферменты, которые могли бы заменить нефтехимические продукты. Когда они не могут найти подходящее совпадение, они обращаются к тому, что Пушпанатх описывает как «долгую, итеративную, ресурсоемкую, направленную эволюцию» в лаборатории, чтобы убедить белок в промышленной адаптации. Но вместо этого последние научные достижения позволили сделать эти открытия в природе.

Будь то Кларк и его коллега, отправляющиеся в экспедицию, или местный партнер, собирающий и обрабатывающий образцы, из каждой коллекции можно многому научиться. «Микробные геномы содержат полный набор информации, определяющей организм — во многом так же, как буквы представляют собой код, позволяющий нам формировать слова, предложения, страницы и книги, содержащие сложные, но удобоваримые знания», — говорит Кларк. Он думает об образцах окружающей среды как о биологических библиотеках, наполненных тысячами видов, штаммов и вариантов последовательностей. «Наша работа — собрать генетическую информацию из этих образцов».