Группе учёных из нескольких американских и европейских университетов удалось создать особые искусственные ферменты, которые также называют энзимами. Ферменты – это природные катализаторы, необходимые для жизни, сложные белковые структуры, ускоряющие химические реакции в организмах, участвуя в пищеварении и синтезе ДНК. Каждый природный катализатор отвечает за свою реакцию благодаря уникальному строению. Ранее не удавалось создать искусственные аналоги для сложных многоступенчатых реакций.

Принцип работы природных катализаторов: фермент – это наномашина с активным центром, где расположены активные группы атомов. Когда молекула вещества попадает в активный центр, она совпадает с выступами и впадинами, как ключ с замком. В момент присоединения структура фермента приходит в движение, изгибаясь так, чтобы активные группы атомов оказались в нужных положениях для разрыва или создания связей. В многоступенчатых реакциях после первого превращения фермент перестраивается, чтобы правильно расположить вещество для следующей операции. Это как конвейер, где "станки" – разные конфигурации белковой молекулы.

Ученые из Вашингтонского университета сосредоточились на создании катализатора для серинового гидролиза. В организмах этот процесс выполняют сериновые гидролазы, участвующие в пищеварении, метаболизме жиров и свертывании крови. Природные катализаторы расщепляют сложноэфирные связи, что перспективно для разложения пластика.

Ранее, специалисты пытались изменять существующие природные образцы, но это ограничивало создание эффективных катализаторов для многоступенчатых реакций. Разработан новый подход с использованием искусственного интеллекта. На первом этапе использовали программу RFdiffusion, генерирующую белковые структуры на основе анализа данных о строении природных белков. Для многоступенчатой реакции создали нейронную сеть PLACER, моделирующую расположение каждого атома и взаимодействие веществ на всех этапах. ИИ проверяет способность активных центров связывать и преобразовывать вещества на каждой стадии.

Объединение RFdiffusion и PLACER позволило создать катализаторы, ускоряющие реакцию в 60 000 раз сильнее предыдущих.  Прежние разработки не справлялись даже с первым этапом. Ученые предоставили ИИ возможность самостоятельно найти решение, задав конечную цель и позволив алгоритмам перебрать миллионы вариантов структуры.

Разработанный метод открывает путь к созданию новых катализаторов для реакций, не существующих в природе.  Технология может применяться в фармацевтике, химической промышленности и энергетике. Перспективно создание энзимов для утилизации пластика.

Новый метод поможет понять принципы работы природных ферментов. Создавая искусственные аналоги и анализируя их взаимодействие с веществами, можно определить ключевые элементы в катализе. Эти знания важны для медицины, так как нарушения ферментативной активности лежат в основе многих болезней.

#экология #пластик #биотех