Ogni anno, migliaia di tonnellate di alghe marroni vengono estratte dal fondo del mare per ottenere composti come alginati, un polimero composto da zuccheri che hanno alta densità e resistenza, offrendo potenziali applicazioni biotecnologiche. Un team internazionale guidato dall’Università di Barcellona ha decifrato il meccanismo attraverso il quale un tipo di enzima, chiamato alginato lyase (AL), è in grado di degradare questi biomateriali marini, permettendo loro di essere usato come vettori, additivi o addetti, tra gli altri. Questi risultati, pubblicati in Comunicazioni naturaliaiuterà nello sviluppo e nella progettazione di nuovi “alginati su misura” per applicazioni specifiche, in particolare nelle industrie alimentari e biomediche.
Il team UB è formato da José Pablo Rivas-Fernández, primo autore dell’articolo, e Carme Rovira, professore di ricerca ICREA, sia dalla Facoltà di Chimica UB, dall’Istituto UB di Danical-Danical). Anche gli esperti della Norwegian University of Science and Technology (NTNU) e della North Carolina State University (Stati Uniti).
Nonostante l’abbondanza di alginati nell’ambiente marino, la loro gamma di opportunità, specialmente nel settore biomedico, è gravemente limitata dalla disomogeneità della loro composizione nello stato naturale – possono contenere una miscela di acido mannuronico e zuccheri di acido guluronico in proporzioni variabili. La conoscenza del meccanismo d’azione degli enzimi Al quando rompono specificamente i legami che collegano gli zuccheri di tipo acido mannuronico in questo polimero aiuterà a superare questi limiti. “I risultati gettano le basi per manipolare questi enzimi e progettare varianti con migliori proprietà catalitiche e maggiore efficienza su larga scala.
Utilizzando tecniche industriali e bioprocessi, sarà possibile ottimizzare la produzione di “alginati su misura” in quantità sufficienti per soddisfare le esigenze della società “, spiegano i ricercatori.” Questi risultati consentiranno anche un “migliore uso delle risorse naturali e aumentare l’economia verde usando gli enzimi come strumenti chiave nella produzione di questi alginato”, affermeranno anche gli autori.
Analisi computazionale con il supercomputer Marenostrum 5
Parte dello studio si basava sull’analisi computazionale del meccanismo di azione di questi enzimi, usando come punto di partenza le strutture tridimensionali dell’enzima Al nell’interazione con diverse varianti di alginato, ottenute dai collaboratori DTU. Sulla base di questa struttura e dell’utilizzo delle risorse del supercomputer Marenostrum 5 presso il Barcellona Supercomputing Center-Centro Nacional de SuperComputación (BSC-CNS), il team UB ha effettuato le simulazioni di dinamica molecolare durante la reazione chimica che prende il luogo di degradazione multiscala di degradazione del meccanico quantico multiscale di degradazione di degradazione.
Queste simulazioni hanno riconciliato precedenti discrepanze scientifiche sul numero di fasi in cui si verifica la reazione, confermando che si verifica in una singola fase e che il polimero si rompe al centro, non a un certo punto. Hanno anche eliminato la natura dello stato di transizione – la più alta configurazione di energia durante la reazione – come specie altamente caricata negativamente. “Questa scoperta suggerisce che potremmo essere in grado di controllare a che punto il polimero si rompe dalle mutazioni di alcuni aminoacidi nel centro attivo dell’enzima”, spiegano i ricercatori.
Un altro elemento importante dello studio è che gli enzimi analizzati appartengono alla famiglia 7 delle lyasi, i più abbondanti conosciuti fino ad oggi, che consente di estrapolare il meccanismo descritto ad altri enzimi con alto potenziale biotecnologico.
Questi risultati facilitano anche l’identificazione di residui chiave o aminoacidi che possono essere mirati a migliorare l’efficienza di questi enzimi, una linea di ricerca molto promettente su cui il team UB sta già lavorando.
Inoltre, i risultati migliorano la comprensione dell’evoluzione chimica dell’alginato durante il suo degrado, un elemento fondamentale per la progettazione di sonde in grado di identificare e isolare le lyasi alginato, che non sono state ancora descritte. In questo senso, i ricercatori UB stanno attualmente lavorando alla progettazione di sonde che consentono l’identificazione efficiente di nuovi enzimi attivi nei carboidrati.
Questo studio fa parte di Carbocentre, un progetto finanziato da una sovvenzione sinergica dell’European Research Council (ERC).
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