Екип от изследователи от Университета в Торонто Инженеринг и Университета в Мичиган преработи и подобри естествен ензим, който показва обещание за насърчаване на възстановяването на нервната тъкан след нараняване.

ензим

Тяхната нова версия е по-стабилна от протеина, който се среща в природата, и може да доведе до нови лечения за обръщане на нервни увреждания, причинени от травматично нараняване или инсулт.

„Инсултът е водещата причина за инвалидност в Канада и третата причина за смърт“, казва професорът по инженерство от Университета в Торонто Моли Шойше, старши автор на ново проучване, публикувано в списание Science Advances.

"Едно от основните предизвикателства пред зарастването след този вид нервно увреждане е образуването на глиален белег."

Глиален белег се образува от клетки и биохимикали, които се свързват плътно около увредения нерв. В краткосрочен план тази защитна среда предпазва нервните клетки от по-нататъшно нараняване, но в дългосрочен план може да потисне възстановяването на нервите.

Преди около две десетилетия учените откриха, че естествен ензим, известен като хондроитиназа ABC - произведен от бактерия, наречена Proteus vulgaris - може селективно да разгражда някои от биомолекулите, изграждащи глиалния белег.

Чрез промяна на околната среда около увредения нерв е доказано, че хондроитиназата ABC насърчава възстановяването на нервните клетки. При животински модели това може дори да доведе до възстановяване на някаква загубена функция.

Но напредъкът е ограничен от факта, че хондроитиназата ABC не е много стабилна на местата, където изследователите искат да я използват.

„Той е достатъчно стабилен за околната среда, в която живеят бактериите, но вътре в тялото е много крехък“, казва Шойше. "Той се агрегира или се натрупва заедно, което го кара да губи активност. Това се случва по-бързо при телесна температура, отколкото при стайна температура. Също така е трудно да се достави хондроитиназа ABC, тъй като е податлива на химическо разграждане и срязващи сили, обикновено използвани във формулировките.

Различни екипи, включително на Шойче, са експериментирали с техники за преодоляване на тази нестабилност. Някои са се опитали да увият ензима в биосъвместими полимери или да го прикрепят към наночастици, за да не го агрегират. Други са се опитали да го вливат в увредената тъкан бавно и постепенно, за да осигурят постоянна концентрация на мястото на нараняване.

Но всички тези подходи са просто лентови помощни средства - те не разглеждат основния проблем на нестабилността.

В последната си статия, Shoichet и нейните сътрудници изпробваха нов подход: те промениха биохимичната структура на ензима, за да създадат по-стабилна версия.

„Както всеки протеин, хондроитиназата ABC е изградена от градивни елементи, наречени аминокиселини“, казва Шойше. "Използвахме изчислителна химия, за да предскажем ефекта от замяната на някои градивни елементи с други, с цел повишаване на общата стабилност, като същевременно се поддържа или подобрява активността на ензима."

„Идеята вероятно беше малко луда, защото точно както в природата, една лоша мутация може да разруши структурата“, казва Матю О’Миара, професор по компютърна медицина и биоинформатика в Университета в Мичиган и съавтор на новата хартия.

„Има повече от 1000 звена във веригата, която образува този ензим, и за всяка връзка имате 20 аминокиселини, от които да избирате“, казва той. „Има твърде много възможности за избор, за да се симулират всички.“

За да стесни пространството за търсене, екипът приложи компютърни алгоритми, имитиращи видовете аминокиселинни заместители, открити в реални организми. Този подход - известен като консенсусен дизайн - произвежда мутантни форми на ензима, които не съществуват в природата, но са правдоподобни като тези, които съществуват.

В крайна сметка екипът завърши с три нови форми на ензима, които след това бяха произведени и тествани в лабораторията. И трите бяха по-стабилни от дивия тип, но само един, който имаше 37 аминокиселинни замествания от повече от 1000 звена във веригата, беше едновременно по-стабилен и по-активен.

"Дивият тип хондроитиназа ABC губи по-голямата част от активността си в рамките на 24 часа, докато нашият реконструиран ензим е активен в продължение на седем дни", казва Мариан Хетиаратчи, другият съавтор на статията. Бивш постдокторант в лабораторията на Shoichet, Hettiaratchi сега е професор по биоинженерство в университета на Phil и Penny Knight за ускоряване на научното въздействие на университета в Орегон.

"Това е огромна разлика. Очаква се нашият подобрен ензим да разгради още по-ефективно глиалния белег от версията, която често се използва от други изследователски групи", казва Хеттиаратчи.

Следващата стъпка ще бъде разгръщането на ензима в същите видове експерименти, където преди е бил използван див тип.

„Когато стартирахме този проект, бяхме посъветвани да не опитваме, тъй като би било като да търсим игла в купа сено“, казва Шойчет. "След като открихме тази игла, ние изследваме тази форма на ензима в нашите модели на инсулт и увреждане на гръбначния мозък, за да разберем по-добре потенциала му като терапевтично средство, самостоятелно или в комбинация с други стратегии."

Шойчет посочва мултидисциплинарния характер на проекта като ключ към успеха му.

„Успяхме да се възползваме от допълнителната експертиза на авторите, за да реализираме този проект и бяхме шокирани и щастливи, че бяхме толкова успешни“, казва тя. "Това надмина далеч от нашите очаквания."