Enzymová revoluce: Jak inženýrství přírodních katalyzátorů mění medicínu, potraviny a planetu

• Globální trh s průmyslovými enzymy měl v roce 2019 hodnotu přibližně 9 miliard dolarů a předpokládá se, že do roku 2027 dosáhne 13,8 miliardy dolarů.
• Metoda cílené mutageneze, vynalezená v 70. letech Michaelem Smithem, umožňuje přesné změny jednotlivých aminokyselin v enzymech a vynesla mu Nobelovu cenu za chemii v roce 1993.
• V roce 1993 Frances Arnold předvedla řízenou evoluci tím, že vyvinula enzym prostřednictvím náhodných mutací a selekce, což byl milník později oceněný Nobelovou cenou za chemii v roce 2018.
• Merck a Codexis vyvinuly kolem let 2007–2010 evolučně zdokonalený enzym pro výrobu sitagliptinu, který dosáhl 99,95% selektivity, o 13 % vyššího výtěžku a o 19 % méně chemického odpadu.
• Cena Greener Chemistry za rok 2010 ocenila práci v oblasti řízené evoluce, která umožnila ekologičtější výrobu léčiv, včetně enzymu Merck/Codexis pro sitagliptin.
• V roce 2018 získali Frances Arnold, Gregory Winter a George Smith Nobelovu cenu za chemii za metody řízené evoluce a fágového zobrazení, které vedou k vývoji léčiv, biopaliv a katalyzátorů.
• V roce 2023 článek v Nature De novo design of luciferases using deep learning ukázal enzymy navržené umělou inteligencí, které emitují světlo a po laboratorním vylepšení mohou překonat některé přírodní enzymy.
• V letech 2022–2023 vědci použili hluboké učení k návrhu nových enzymů od základu, včetně luciferáz, což signalizuje posun směrem k návrhu enzymů řízenému umělou inteligencí.
• V roce 2022 vyvinuli vědci z UT Austin FAST-PETase, variantu PETázy, která dokáže depolymerizovat plastový odpad za pouhých 24 hodin za mírných podmínek, navrženou pomocí algoritmu strojového učení.
• Koncem roku 2024 vědci oznámili vysoce evolučně zdokonalenou variantu enzymu CRISPR-Cas s extrémně nízkou mimo cílovou aktivitou, což zvyšuje bezpečnost genové editace.

Představte si, že bychom mohli přeprogramovat přírodní mikroskopické stroje k řešení lidských problémů. Inženýrství enzymů je věda o přepracování enzymů – proteinů, které katalyzují chemii života – tak, aby měly nové nebo vylepšené funkce. Jednoduše řečeno, znamená to upravit genetický kód enzymu tak, aby enzym fungoval lépe nebo jinak. Proč se tím zabývat? Protože enzymy jsou mimořádné katalyzátory: urychlují chemické reakce za mírných podmínek, na rozdíl od mnoha průmyslových procesů, které vyžadují vysoké teploty nebo toxické chemikálie newsroom.uw.edu. Jak vysvětluje biochemik David Baker, „Živé organismy jsou pozoruhodní chemici… používají enzymy k rozkladu nebo syntéze čehokoli, co potřebují, za mírných podmínek. Nové enzymy by mohly zpřístupnit obnovitelné chemikálie a biopaliva“ newsroom.uw.edu. Jinými slovy, pokud dokážeme navrhovat enzymy, získáme ekologicky šetrné nástroje, které mohou změnit výrobu, energetiku, medicínu a další oblasti.

Důležitost inženýrství enzymů se odráží v jeho bouřlivém růstu. Celosvětový trh s průmyslovými enzymy činil v roce 2019 přibližně 9 miliard dolarů a předpokládá se, že do roku 2027 dosáhne 13,8 miliardy dolarů pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Tyto „zázračné molekuly“ se již používají ve všem od pracích prostředků po zpracování potravin a poptávka po nich roste. Inženýrství enzymů nám umožňuje posunout enzymy za jejich přirozené hranice – učinit je efektivnějšími, odolnějšími nebo přizpůsobenými pro nové úkoly. To má obrovské důsledky: od výroby léků a ekologičtějších plastů až po čištění znečištění. Jak poznamenala Švédská královská akademie při udělení Nobelovy ceny za chemii v roce 2018, vědci „použili stejné principy – genetickou změnu a selekci – k vývoji proteinů, které řeší chemické problémy lidstva“ businessinsider.com. Stručně řečeno, využitím evoluce a bioinženýrství enzymoví inženýři mění celá odvětví a řeší globální výzvy.

Níže si rozebereme, co je inženýrství enzymů, jak funguje, jeho historii a hlavní techniky a také mnohé způsoby, jak mění obory jako medicína, zemědělství, potravinářství, biotechnologie a environmentální vědy. Také zdůrazníme nedávné průlomy (2024–2025) a citace odborníků, kteří vedou tuto revoluci.

Co je inženýrství enzymů?

V jádru inženýrství enzymů (odvětví proteinového inženýrství) znamená modifikaci struktury enzymu za účelem změny jeho funkce nebo výkonu khni.kerry.com. Enzymy jsou řetězce aminokyselin složené do složitých 3D tvarů. Jejich tvar a chemické vlastnosti určují, jakou reakci katalyzují – například rozklad škrobu na cukr nebo kopírování DNA. Inženýři enzymů mění sekvenci aminokyselin enzymu (změnou kódu DNA), takže se enzym stane vhodnějším pro daný úkol nebo dokonce katalyzuje novou reakci. Tím lze zlepšit vlastnosti jako aktivita (rychlost), specificita (výběr jednoho cíle před ostatními), stabilita (funkčnost v náročných podmínkách) nebo všechny tyto vlastnosti najednou khni.kerry.com.

Jak vědci modifikují enzymy? Existují dvě hlavní strategie:

• Racionální design (cílená mutageneze): Pokud víte, která část enzymu ovlivňuje jeho funkci, můžete záměrně změnit specifické aminokyseliny. Tato technika, kterou v 80. letech 20. století zavedl Michael Smith (Nobelova cena 1993), se nazývá cílená mutageneze – v podstatě cílená genetická editace genu enzymu nobelprize.org. Je to jako provádět operaci na DNA enzymu: vědci identifikují „pozici“ v enzymu, kterou chtějí upravit, zmutují dané písmeno DNA (kodon) a tím nahradí jednu aminokyselinu jinou v enzymu. Tato metoda byla revoluční, protože umožnila „přeprogramovat genetický kód“ a vytvářet proteiny s novými vlastnostmi nobelprize.org. V počátcích ji vědci používali k prozkoumání struktury a funkce enzymů – např. aby byl enzym stabilnější a vydržel průmyslové procesy, nebo aby byla protilátka upravena tak, aby mohla cílit na rakovinné buňky nobelprize.org. Racionální design však vyžaduje značné znalosti: musíte předpovědět, které změny budou mít příznivý efekt, což je vzhledem ke složitosti enzymů obtížné. Jak poznamenal jeden inženýr enzymů, i dnes je „předpovídat vliv mutací… téměř nemožné“ kvůli tomu, jak složitě spolu jednotlivé části enzymu interagují aiche.org. Racionální design často zahrnoval mnoho kvalifikovaných odhadů.
• Řízená evoluce: Když hádání selže, proč nenechat pracovat přírodní algoritmus? Řízená evoluce je technika, která napodobuje přírodní výběr v laboratoři, aby vyvinula lepší enzymy. Místo jedné cílené změny vědci provádějí náhodné mutace v genu enzymu a vytvářejí knihovnu tisíců variant. Tyto varianty pak testují nebo selektují, aby našli ty s lepším výkonem pro daný úkol sigmaaldrich.com, businessinsider.com. Tyto vítězné varianty mohou být znovu mutovány, čímž se cyklus opakuje, stejně jako evoluce vytváří lépe přizpůsobené organismy. Tento přístup byl průkopnicky použit v 90. letech Frances Arnold, která za něj získala Nobelovu cenu za chemii v roce 2018. Frances Arnold si uvědomila, že „způsob, jakým většina lidí přistupovala k inženýrství proteinů, byl odsouzen k neúspěchu,“ a proto zkusila jinou cestu – „okopírovat přírodní proces návrhu, tedy evoluci“ businessinsider.com. Tím, že nechají mnoho náhodných mutantů soutěžit v experimentu přežití nejschopnějších, mohou vědci objevit vylepšení enzymů, na která by člověk nikdy nepřišel. Arnoldová je pro tuto metodu známá svým mottem „Dostanete to, co testujete“ aiche.org – což znamená, že klíčem je navrhnout dobrý test pro nalezení požadované vlastnosti. Řízená evoluce „dramaticky zvýšila rychlost změn“, kterých lze u enzymů dosáhnout, a zkrátila to, co by v přírodě trvalo miliony let, na týdny nebo měsíce v laboratoři sigmaaldrich.com. Byla obrovsky úspěšná: jak zdůraznil Nobelův výbor, pomocí řízené evoluce vědci vyvinuli enzymy používané „ve všem od ekologických detergentů a biopaliv až po léky proti rakovině.“ businessinsider.com

V praxi inženýři enzymů často kombinují tyto přístupy. Mohou použít cílenou mutagenezi k provedení několika promyšlených úprav (tzv. „racionální“ přístup), a poté aplikovat kola řízené evoluce, která je mohou překvapit dalšími vylepšeními. Moderní metody také integrují výpočetní nástroje: bioinformatická analýza a počítačem podporovaný návrh mohou navrhnout, které mutace vyzkoušet, nebo pomoci modelovat struktury enzymů Představte si, že bychom mohli přeprogramovat přírodní mikroskopické stroje k řešení lidských problémů. Inženýrství enzymů je věda o přepracování enzymů – proteinů, které katalyzují chemii života – tak, aby měly nové nebo vylepšené funkce. Jednoduše řečeno, znamená to upravit genetický kód enzymu tak, aby enzym fungoval lépe nebo jinak. Proč se tím zabývat? Protože enzymy jsou mimořádné katalyzátory: urychlují chemické reakce za mírných podmínek, na rozdíl od mnoha průmyslových procesů, které vyžadují vysoké teploty nebo toxické chemikálie newsroom.uw.edu. Jak vysvětluje biochemik David Baker, „Živé organismy jsou pozoruhodní chemici… používají enzymy k rozkladu nebo tvorbě čehokoli, co potřebují, za mírných podmínek. Nové enzymy by mohly zpřístupnit obnovitelné chemikálie a biopaliva“ newsroom.uw.edu. Jinými slovy, pokud dokážeme navrhovat enzymy, získáme ekologicky šetrné nástroje k revoluci ve výrobě, energetice, medicíně a dalších oblastech.

Význam inženýrství enzymů se odráží v jeho bouřlivém růstu. Celosvětový trh s průmyslovými enzymy činil v roce 2019 přibližně 9 miliard dolarů a očekává se, že do roku 2027 dosáhne 13,8 miliardy dolarů pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Tyto „zázračné molekuly“ se již používají ve všem od pracích prostředků po zpracování potravin a poptávka roste. Inženýrství enzymů nám umožňuje posunout enzymy za jejich přirozené limity – učinit je efektivnějšími, odolnějšími nebo přizpůsobenými pro nové úkoly. To má obrovské důsledky: od výroby léků a ekologičtějších plastů až po čištění znečištění. Jak poznamenala Švédská královská akademie při udělení Nobelovy ceny za chemii v roce 2018, vědci „použili stejné principy – genetickou změnu a výběr – k vývoji proteinů, které řeší chemické problémy lidstva“ businessinsider.com. Stručně řečeno, využitím evoluce a bioinženýrství inženýři enzymů mění celá odvětví a řeší globální výzvy.

Níže si rozebereme, co je inženýrství enzymů, jak funguje, jeho historii a hlavní techniky a mnohé způsoby, jak mění obory jako medicína, zemědělství, potravinářství, biotechnologie a environmentální vědy. Také zdůrazníme nejnovější průlomy (2024–2025) a citace odborníků, kteří vedou tuto revoluci.

Co je to inženýrství enzymů?

V jádru inženýrství enzymů (odvětví proteinového inženýrství) znamená úpravu struktury enzymu za účelem změny jeho funkce nebo výkonu khni.kerry.com. Enzymy jsou řetězce aminokyselin složené do složitých 3D tvarů. Jejich tvar a chemické vlastnosti určují, jakou reakci katalyzují – například rozklad škrobu na cukr nebo kopírování DNA. Inženýři enzymů mění sekvenci aminokyselin enzymu (změnou kódu DNA), takže se enzym stane vhodnějším pro daný úkol nebo dokonce katalyzuje novou reakci. Tím lze zlepšit vlastnosti jako aktivita (rychlost), specificita (výběr jednoho cíle před ostatními), stabilita (funkčnost v náročných podmínkách) nebo všechny tyto vlastnosti najednou khni.kerry.com.

Jak vědci upravují enzymy? Existují dvě hlavní strategie:

• Racionální design (cílená mutageneze): Pokud víte, která část enzymu ovlivňuje jeho funkci, můžete záměrně změnit konkrétní aminokyseliny. Tato technika, kterou v 80. letech 20. století zavedl Michael Smith (Nobelova cena 1993), se nazývá cílená mutageneze – v podstatě cílená genetická úprava genu enzymu nobelprize.org, nobelprize.org. Je to jako provádět operaci na DNA enzymu: výzkumníci určí „pozici“ v enzymu, kterou chtějí upravit, změní příslušné písmeno DNA (kodon) a tím nahradí jednu aminokyselinu jinou v enzymu. Tato metoda byla revoluční, protože umožnila „přeprogramovat genetický kód“ a vytvářet proteiny s novými vlastnostmi nobelprize.org. Zpočátku ji vědci používali k prozkoumání struktury a funkce enzymů – např. k vytvoření stabilnějšího enzymu, který vydrží průmyslové procesy, nebo k úpravě protilátky, aby mohla cílit na rakovinné buňky nobelprize.org. Racionální design však vyžaduje značné znalosti: je třeba předpovědět, které změny budou mít příznivý efekt, což je vzhledem ke složitosti enzymů obtížné. Jak poznamenal jeden inženýr enzymů, i dnes je „předpovídat vliv mutací… téměř nemožné“ kvůli složité interakci mnoha částí enzymu aiche.org. Racionální design často zahrnoval mnoho kvalifikovaných odhadů.
• Řízená evoluce: Když hádání selže, proč nenechat pracovat algoritmus přírody? Řízená evoluce je technika, která napodobuje přírodní výběr v laboratoři, aby vyvinula lepší enzymy. Místo jedné cílené změny vědci provádějí náhodné mutace v genu enzymu a vytvářejí knihovnu tisíců variant. Tyto varianty pak testují nebo selektují, aby našli ty s lepším výkonem pro daný úkol sigmaaldrich.com, businessinsider.com. Vítězné varianty mohou být znovu mutovány a cyklus se opakuje, stejně jako evoluce vytváří lépe přizpůsobené organismy. Tento přístup byl průkopnicky použit v 90. letech Frances Arnold, která za něj získala Nobelovu cenu za chemii v roce 2018. Frances Arnold si uvědomila, že „způsob, jakým většina lidí přistupovala k inženýrství proteinů, byl odsouzen k neúspěchu,“ a proto zkusila jinou cestu – „okopírovat přírodní proces navrhování, tedy evoluci“ businessinsider.com. Tím, že nechají mnoho náhodných mutantů soutěžit v experimentu přežití nejschopnějších, mohou vědci objevit vylepšení enzymů, na která by člověk nikdy nepřišel. Arnoldová pro tuto metodu proslula mottem „Dostanete to, co testujete“ aiche.org – což znamená, že klíčem je navrhnout dobrý test pro nalezení požadované vlastnosti. Řízená evoluce „dramaticky zvýšila rychlost změn“ možných u enzymů, a to tak, že to, co by v přírodě trvalo miliony let, lze v laboratoři zvládnout za týdny nebo měsíce sigmaaldrich.com. Byla obrovsky úspěšná: jak zdůraznil Nobelův výbor, pomocí řízené evoluce vědci vyvinuli enzymy používané v „všem od ekologických detergentů a biopaliv po léky na rakovinu.“businessinsider.com

V praxi inženýři enzymů často kombinují tyto přístupy. Mohou použít cílenou mutagenezi k provedení několika promyšlených úprav (tzv. „racionální“ přístup), a poté aplikovat kola řízené evoluce, která je mohou překvapit dalšími vylepšeními. Moderní metody také integrují výpočetní nástroje: bioinformatická analýza a počítačem podporovaný návrh mohou navrhnout, které mutace vyzkoušet, nebo pomoci modelovat struktury enzymů pmc.ncbi.nlm.nih.gov. V posledních letech umožňují pokroky v strojovém učení a AI novou strategii: navrhování nových enzymů na počítači od základu. Například v roce 2023 vědci z Institute for Protein Design na University of Washington použili hluboké učení k vynalezení nových enzymů (luciferáz, které vyzařují světlo), jež v přírodě nikdy neexistovaly newsroom.uw.edu. Jeden z hlavních vědců, Andy Hsien-Wei Yeh, řekl „Byli jsme schopni navrhnout velmi účinné enzymy od základu na počítači… Tento průlom znamená, že na míru vytvořené enzymy pro téměř jakoukoli chemickou reakci by v zásadě mohly být navrženy.“ newsroom.uw.edu. Takový de novo návrh enzymů byl před deseti lety vzdáleným snem – nyní se stává realitou a otevírá dveře éře AI-navržených enzymů.

Stručná historie inženýrství enzymů

Enzymy používají lidé po tisíciletí (i když nevědomky) – vzpomeňte na starověké vaření piva, výrobu sýra nebo kvašení chleba, kde práci odvádějí přírodní enzymy v mikroorganismech. Vědecké poznání enzymů však začalo až v 19. století studiem trávení a chemie kvašení pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Do poloviny 20. století vědci zjistili, že enzymy jsou bílkoviny, rozluštili jejich základní struktury a způsob, jakým katalyzují reakce. To položilo teoretické základy pro inženýrství enzymů pmc.ncbi.nlm.nih.gov: pokud rozumíme struktuře enzymu, můžeme ji upravit podle svých potřeb?

Obor skutečně zaznamenal rozmach ve druhé polovině 20. století díky průlomům v molekulární biologii. Dvě Nobelovou cenou oceněné inovace v 70. a 80. letech připravily půdu:

• Rekombinantní DNA technologie (genetické inženýrství): Nástroje pro stříhání, spojování a klonování DNA (průkopníci Paul Berg, Herbert Boyer, Stanley Cohen atd.) znamenaly, že vědci mohli izolovat a upravovat geny pro enzymy. V 80. letech se stalo možné vyrábět rekombinantní enzymy – například produkovat lidský inzulin nebo průmyslové enzymy v bakteriích či kvasinkách, což učinilo enzymy mnohem dostupnějšími pro experimenty a využití.
• Mutageneze řízená místem: Tuto metodu vynalezl Michael Smith v 70. letech 20. století a umožnila záměrné změny jednotlivých písmen v DNA nobelprize.org. Za tento objev se Michael Smith podělil o Nobelovu cenu za chemii v roce 1993. Biochemici tak najednou mohli vytvořit specifickou mutaci v enzymu a pozorovat její účinek, což výrazně zlepšilo pochopení vztahu mezi strukturou a funkcí enzymů. Tisková zpráva Nobelovy ceny v roce 1993 uvedla, že „Smithovou metodou je možné přeprogramovat genetický kód… a nahradit specifické aminokyseliny v proteinech. …možnosti konstrukce proteinů s novými vlastnostmi se [zásadně] změnily.“ nobelprize.org To byl počátek záměrného navrhování proteinů. Mezi první úspěchy patřilo upravování enzymů tak, aby vydržely vyšší teploty, nebo inženýrství protilátek (což jsou vazebné proteiny) pro cílení na nádory nobelprize.org – primitivní formy zakázkových proteinů pro medicínu a průmysl.

Racionální design byl však v té době omezen našimi neúplnými znalostmi. V 80. letech se mnoho vědců pokoušelo „obejít evoluci“ analýzou struktur enzymů a předpovídáním prospěšných mutací, ale často to bylo frustrující aiche.org. Ukázalo se, že enzymy jsou velmi složité; změna jedné části často měla nepředvídatelné účinky na celek. Jak uvedl jeden přehled, vědci zjistili, že „enzymy nejsou tak snadno pochopitelné“ – „většina polypeptidového řetězce“ kolem aktivního místa je také důležitá pro funkci aiche.org. Do konce 80. let byly čistě racionální úpravy enzymů spojeny jen s mírným pokrokem.

Průlom přišel na počátku 90. let 20. století s řízenou evolucí. V roce 1993 Frances H. Arnold – frustrovaná neúspěšnými racionálními návrhy – publikovala první ukázku evoluce enzymu pomocí náhodné mutace a selekce za účelem zlepšení jeho funkce. Během 90. let a 2000s techniky řízené evoluce vzkvétaly, k čemuž přispěly vynálezy jako error-prone PCR (pro snadné zavádění náhodných mutací) a DNA shuffling (rekombinace částí genů za účelem kombinace prospěšných mutací) sigmaaldrich.com. Výzkumníci také vyvinuli metody vysokokapacitního screeningu a chytré selekce pro prohledávání knihoven enzymů s požadovanými vlastnostmi. Řízená evoluce se ukázala jako neuvěřitelně silný nástroj pro optimalizaci aktivity, specificity, stability enzymů, prostě všeho. Nevyžadovala detailní předchozí znalosti – stačil dobrý systém pro generování diverzity a nalezení vítězů. Během následujících dvou dekád tento přístup zrevolucionalizoval inženýrství enzymů jak v akademické sféře, tak v průmyslu. Enzymy byly evolučně přizpůsobeny k provádění nových reakcí (dokonce i těch, které se v přírodě nevyskytují), k fungování v nepřirozených prostředích (jako jsou toxická rozpouštědla nebo extrémní pH) a ke zlepšení průmyslových procesů. „Evoluce je jednoduchý a nesmírně silný algoritmus mutace a selekce,“ jak poznamenal jeden článek – a nyní mohli inženýři tento algoritmus využívat dle libosti aiche.org. Tím, že uplatňujeme selekci na to, co chceme, v podstatě přesvědčujeme Přírodu, aby za nás vymýšlela řešení.

Významným úspěchem v reálném světě byl vývoj evolvovaného enzymu pro syntézu léčiv společností Merck (kolem let 2007–2010). Merck ve spolupráci s biotechnologickou firmou Codexis použil řízenou evoluci ke zlepšení enzymu pro výrobu léku na cukrovku sitagliptin. Konečný enzym (po několika kolech evoluce) provedl klíčový chemický krok s 99,95% selektivitou a vysokým výtěžkem, čímž nahradil katalyzátor z těžkých kovů a odstranil několik kroků aiche.org. Enzymatický proces zvýšil celkový výtěžek o 13 % a snížil chemický odpad o 19 %, přičemž eliminoval potřebu vysokotlakého vodíkového plynu a toxických kovů aiche.org. Toto byl milník, který ukázal, že upravené enzymy mohou učinit farmaceutickou výrobu ekologičtější a efektivnější – a Arnoldová a její spolupracovníci za to v roce 2010 získali prestižní ocenění za zelenější chemii. K roku 2018 byl dopad řízené evoluce natolik zásadní, že Frances Arnoldová, Gregory Winter a George Smith získali Nobelovu cenu za chemii. Winter a Smith vyvinuli metody pro evoluci proteinů, jako jsou protilátky, pomocí fágového zobrazení, a Arnoldová pro enzymy – společně ukázali, že „využití síly evoluce“ může přinést vynálezy jako nová léčiva, biopaliva a katalyzátorybusinessinsider.com.

Do 21. století se inženýrství enzymů jen zrychluje. Konec 2010. let a začátek 2020. let přinesl průlom v počítačovém návrhu proteinů (využití softwaru jako Rosetta k navrhování enzymů pro specifické reakce) a nástup umělé inteligence v inženýrství proteinů. Díky obrovským databázím proteinů a strojovému učení mohou vědci předpovídat struktury enzymů (díky průlomům jako AlphaFold) a dokonce generovat nové sekvence enzymů s požadovanými funkcemi newsroom.uw.edu. V letech 2022–2023 vědci oznámili využití hlubokého učení k tvorbě nových enzymů od základu (zejména nových luciferázových enzymů, jak bylo zmíněno výše) newsroom.uw.edu. Mezitím metody jako kontinuální řízená evoluce a automatizovaný vysokokapacitní screening urychlují evoluční proces a činí jej více automatizovaným biorxiv.org, sciencedirect.com. Inženýrství enzymů je dnes bohatou kombinací biologie, inženýrství a datové vědy – zcela odlišné od pokusů a omylů minulých desetiletí. Jak uvedla jedna průmyslová zpráva z roku 2024, jsme teprve na „špičce ledovce“ v využívání enzymů – byla prozkoumána jen nepatrná část možných enzymů, takže potenciál je obrovský khni.kerry.com.

Klíčové techniky v inženýrství enzymů

Inženýři enzymů mají k dispozici sadu metod pro tvorbu vylepšených enzymů. Zde jsou některé z hlavních technik a jak fungují:

• Mutageneze řízená místem: Precizní metoda pro změnu konkrétních aminokyselin v enzymu. Vědci navrhnou krátký DNA primer s požadovanou mutací a použijí jej ke kopírování genu, čímž změnu zavedou. Je to jako upravit jedno písmeno v plánu. Skvělé pro testování hypotéz (např. „zvýší změna této glycinu na alanin stabilitu enzymu?“) a pro jemné ladění aktivních míst enzymu. Mutageneze řízená místem byla první metodou inženýrství proteinů a stále se široce používá nobelprize.org. Jejím omezením je, že musíte zvolit mutaci – úspěch tedy závisí na tom, jak dobrý je váš odhad.
• Řízená evoluce: Výkonná metoda, jak bylo popsáno dříve. Místo jedné cílené změny vytvoříte mnoho náhodných mutací a vyhledáváte lepší enzym. Klíčové kroky zahrnují vytvoření knihovny variant (pomocí chybně náchylné PCR, DNA shufflingu příbuzných genů nebo jiných mutagenních technik sigmaaldrich.com) a systému pro screening nebo selekci, abyste našli vylepšené varianty. Například pokud chcete rychlejší enzym, můžete vyhledávat kolonie, které mění barvu substrátu rychleji, nebo pokud chcete enzym fungující při vysoké teplotě, vybírat přeživší po zahřátí. Řízená evoluce může přinést překvapivá zlepšení – enzymy získávají 100× vyšší aktivitu, nebo se přizpůsobují práci ve vroucí vodě atd. Je to metoda pokus-omyl řízená slepým hledáním evoluce, ale je mimořádně účinná. Jak shrnul jeden článek, „Řízená evoluce… generuje náhodné mutace v genu zájmu… napodobuje přirozenou evoluci tím, že uplatňuje přísnou selekci k identifikaci proteinů s optimalizovanou funkcionalitou“ sigmaaldrich.com. Tato metoda nevyžaduje znalost struktury enzymu, což je obrovská výhoda.
• Vysokokapacitní screening a selekce: Nejde o inženýrské metody v pravém slova smyslu, ale o klíčové součásti zejména řízené evoluce. Zahrnují techniky pro rychlé testování tisíců variant enzymů. Například: kolorimetrické testy v mikrodestičkách, třídění buněk s aktivními enzymy pomocí FACS (fluorescenčně aktivovaného třídění buněk), phage display pro propojení proteinů s DNA při selekci, nebo růstová komplementace, kdy pouze vylepšené enzymy umožní bakteriím růst za určitých podmínek sigmaaldrich.com. Čím lepší je vaše screeningová metoda („dostanete to, co screenujete“ aiche.org), tím pravděpodobněji najdete potřebnou variantu enzymu.
• Imobilizace a chemická modifikace: Někdy není inženýrství enzymu jen o změně jeho aminokyselin. Imobilizace enzymů je technika, při které se enzymy připojují na pevné nosiče (například kuličky nebo pryskyřici), což může zlepšit jejich stabilitu a umožnit opakované použití v průmyslových reaktorech labinsights.nl. I když se tím nemění sekvence enzymu, jde o inženýrský přístup, jak učinit enzymy praktičtějšími (neodplaví se a často lépe snášejí podmínky, když jsou imobilizované). Chemické modifikace, jako je připojení polymerů (PEGylace) nebo propojování molekul enzymu, mohou také zlepšit vlastnosti, například stabilitu nebo poločas v léku. Tyto metody jsou označovány jako „druhá generace“ enzymových technologií již od 70. let labinsights.nl a doplňují genetické modifikace.
• Počítačový (in silico) design: Rychle se rozvíjejícím přístupem je využití počítačových algoritmů k navrhování nových enzymů nebo vylepšování těch stávajících. Simulací struktur enzymů a fyziky jejich aktivních míst se vědci snaží předpovědět mutace, které by mohly vytvořit požadovanou aktivitu. První pokusy v 2000s často selhávaly, ale obor pokročil. Dnes programy dokážou navrhnout enzymy pro určité reakce (například Diels-Alderovu reakci ve slavné studii z roku 2010) a tyto návrhy jsou pak vyrobeny v laboratoři a testovány. Významně nyní strojové učení pomáhá procházet obrovský „prostor možností“ variant proteinů. V roce 2022 tým vyvinul model strojového učení nazvaný MutCompute, který vedl mutace u enzymu rozkládajícího plasty a úspěšně dramaticky zvýšil jeho výkon molecularbiosci.utexas.edu. A jak bylo zmíněno, v roce 2023 se objevily první enzymy navržené umělou inteligencí, které skutečně prováděly novou chemii newsroom.uw.edu. Počítačový design je stále často kombinován se skutečnou evolucí/experimenty – AI může navrhnout kandidáty, ale laboratorní testování a vylepšování (i evoluce) je pak potvrzuje a zlepšuje. Přesto je trend směrem k „inteligentnímu“ inženýrství enzymů podporovanému velkými daty. Odborníci předpovídají, že v budoucnu budou počítače spolehlivě navrhovat „dokonalý enzym“ pro daný úkol, což sníží potřebu obrovských screeningových knihoven aiche.org – i když tam ještě nejsme.

Kombinací těchto technik mohou nyní vědci optimalizovat enzymy předvídatelným a opakovatelným způsobem. Jak shrnuje jedna recenze z roku 2021, „dnes je inženýrství enzymů vyspělým oborem, který dokáže předvídatelně optimalizovat katalyzátor pro požadovaný produkt… a rozšiřuje škálu průmyslových aplikací enzymů.“ aiche.org. Stručně řečeno, to, co bývalo pokusy a omyly, se stále více stává racionální, na datech založenou inženýrskou disciplínou.

Aplikace v medicíně a farmacii

Jedním z nejzajímavějších dopadů inženýrství enzymů je v medicíně a vývoji léčiv. Enzymy hrají roli v našem těle i při výrobě mnoha moderních léků. Inženýrstvím enzymů vytvářejí vědci nové terapie a zlepšují výrobu léčiv:

• Ekologičtější výroba léčiv: Mnoho léků jsou složité organické molekuly, které tradičně vyžadují vícestupňovou syntetickou chemii (často s toxickými činidly nebo nákladnými podmínkami). Inženýrské enzymy mohou tyto přeměny provádět čistěji. Vlajkovým příkladem je výroba sitagliptinu (Januvia) na cukrovku: Merck optimalizoval enzym pomocí řízené evoluce, aby nahradil chemický katalyzátor ve výrobním procesu. Výsledkem byla efektivnější reakce s vyšším výtěžkem a méně nebezpečného odpadu aiche.org. Tento úspěch ukázal, že „inženýrství enzymů bylo klíčové“ pro zjednodušení náročné chemické syntézy, dosažení o 13 % vyššího výtěžku a o 19 % méně odpadu díky použití vyvinutého enzymu aiche.org. Od té doby mnoho farmaceutických firem přijalo enzymové katalyzátory pro výrobu léků (například při výrobě léku na snížení cholesterolu atorvastatinu a dalších), což výrazně snižuje ekologickou stopu i náklady.
• Enzymové terapie: Některá onemocnění jsou způsobena chybějícími nebo nefunkčními enzymy v těle (například lysozomální střádavé choroby, kdy pacientovi chybí specifický enzym pro rozklad určitých metabolitů). Inženýrství enzymů umožňuje navrhovat enzymové náhradní terapie, které jsou bezpečnější a účinnější. Firmy upravily enzymy používané jako léky (např. PEGylací enzymu pro prodloužení jeho cirkulace v těle, nebo změnou aminokyselin pro snížení imunitní reakce). Významným případem je enzym asparagináza, používaný k léčbě leukémie vyhladověním rakovinných buněk o asparagin. Vědci vytvořili verzi asparaginázy s nižšími vedlejšími účinky a vyšší stabilitou, čímž zlepšili její terapeutický profil pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Podobně jsou laktázové enzymy inženýrsky upraveny a prodávány jako doplňky, které pomáhají lidem s intolerancí laktózy trávit mléčné výrobky.
• Biologické léčiva a biologika: Kromě klasických enzymů těží z technik proteinového inženýrství také široká oblast proteinových terapeutik (protilátky, cytokiny atd.). Nobelova cena za rok 2018 ocenila Sira Gregoryho Wintera za evoluci protilátek pomocí fágového displaye – v podstatě aplikaci inženýrství enzymů/proteinů k vývoji nových léků, jako je Humira, nejprodávanější lék na světě pro autoimunitní onemocnění businessinsider.com. Tato práce je blízkým příbuzným inženýrství enzymů. Ve skutečnosti tisková zpráva Nobelovy ceny zdůraznila, že tyto metody vedly k vytvoření „protilátek, které napadají rakovinu“ a dalším průlomům nobelprize.org. Dnes laboratoře rutinně používají řízenou evoluci nebo racionální design ke zlepšení vazby a specificity protilátkových léků.
• Diagnostika a biosenzory: Inženýrské enzymy jsou také klíčové v lékařské diagnostice. Představte si testovací proužky na glukózu v krvi pro diabetiky – používají enzym glukózaoxidázu. Úpravou těchto enzymů vědci zlepšili citlivost a stabilitu diagnostických testů. Enzymy kombinované s protilátkami v ELISA sadách nebo s elektrodami v biosenzorech dokážou detekovat biomarkery i v nízkých koncentracích. Například vědci navrhli enzymy pro lepší detekci určitých metabolitů nebo dokonce virů v rámci point-of-care testů labinsights.nl. Jak jsme viděli během COVID-19, enzymy jako PCR polymerázy a CRISPR-asociované enzymy byly optimalizovány pro rychlou detekci virového genetického materiálu. Inženýrství enzymů tak přispívá k rychlejším a přesnějším lékařským testům.
• Nové terapeutické strategie: Některé nejmodernější terapie doslova využívají enzymy jako „léky“ k novým účelům. Jedním příkladem je použití bakteriálního enzymu k filtrování toxinů z krve v dialyzačních přístrojích (vědci experimentovali s enzymy, které rozkládají uremické toxiny během dialýzy ledvin labinsights.nl). Dalším je terapie rakoviny, která využívá enzymy k aktivaci chemoterapeutik pouze v místě nádoru (enzym je navržen tak, aby přeměnil netoxický pro-lék na toxický lék v nádorové tkáni, čímž šetří zdravé buňky). Enzymy jsou také navrhovány tak, aby rozkládaly ochrannou matrix kolem nádorů nebo aby omezily přísun živin do nádorů – vše jsou to vysoce cílené přístupy, které jsou předmětem výzkumu.

Shrnuto, inženýrství enzymů pomáhá vyrábět léky levněji a ekologičtěji a umožňuje nové léčby a diagnostiku. Jak to jeden odborník vyjádřil: „možnosti jsou nekonečné“ – od nakládání s odpady ve farmacii po doručování léků přímo do těla news.utexas.edu. A protože jsou enzymy velmi specifické, jejich použití v medicíně může snížit vedlejší účinky oproti běžným chemikáliím. Je to významný krok směrem k personalizovanější a udržitelnější zdravotní péči.

Názor odborníka: Když se zamyslíme nad celkovým obrazem, nositelka Nobelovy ceny Frances Arnold poznamenala, že napodobení evolučního návrhového procesu přírody otevřelo svět nových lékařských řešení. „Veškerá ta úžasná krása a složitost biologického světa vzniká díky jednomu jednoduchému, krásnému návrhovému algoritmu… Tento algoritmus používám k vytváření nových biologických věcí,“ řekla Arnold businessinsider.com. Mezi tyto „nové biologické věci“ patří i pokročilé enzymy a proteiny, které dnes zachraňují životy.

Využití v zemědělství a potravinářství

Inženýrství enzymů mění způsob, jakým pěstujeme potraviny, jak je vyrábíme a dokonce i to, co jíme. V zemědělství a potravinářském průmyslu jsou enzymy dlouhodobě nepostradatelné (například syřidlo při výrobě sýra nebo amylázy při pečení chleba). Nyní umožňují upravené enzymy udržitelnější, efektivnější a výživnější produkci potravin:

• Růst a ochrana plodin: Zemědělci a agrotechnologické firmy využívají enzymy ke zlepšení zdraví půdy a rostlin. Například rostliny potřebují fosfor, ale většina je v půdě vázána jako kyselina fytová, kterou zvířata nedokážou strávit. Fytázy jsou enzymy, které uvolňují fosfát z kyseliny fytové; vědci vyvinuli fytázové enzymy, které jsou odolnější vůči teplu (aby přežily v peletách krmiva) a aktivní ve střevech. Přidání těchto upravených enzymů do krmiva pro hospodářská zvířata výrazně zvyšuje vstřebávání živin a snižuje znečištění fosforem ze zvířecího odpadu link.springer.com, abvista.com. Probíhají také snahy vytvořit transgenní plodiny, které tyto enzymy produkují přímo ve svých semenech, což činí plodiny výživnějšími pro zvířata i lidi pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Dále lze optimalizovat i přirozené rostlinné nebo mikrobiální enzymy, které chrání před škůdci či chorobami. Výzkumníci experimentovali s enzymy, které rozkládají houbové toxiny nebo chitinové schránky hmyzu jako ekologické pesticidy, i když tyto možnosti jsou zatím v počátcích.
• Zpracování potravin a kvalita: Zde enzymy již vynikají – od vaření piva po zjemňování masa – a inženýrství enzymů tento proces ještě zefektivňuje. Inženýrsky upravené enzymy pomáhají zpracovávat potraviny efektivněji a zlepšují jejich kvalitu. Například enzymy při zpracování škrobu (pro výrobu sladidel jako je glukózo-fruktózový sirup) měly tradičně omezení v teplotě a pH. Úpravou těchto enzymů (např. amyláz, které štěpí škrob, a glukózoizomerázy, která přeměňuje glukózu na fruktózu) dosáhly firmy procesů při vyšších teplotách a optimálním pH, což vedlo ke sladšímu produktu s méně nečistotami aiche.org. V mlékárenství byl enzym chymosin (používaný při výrobě sýra) jedním z prvních proteinů produkovaných pomocí rekombinantní DNA; nyní existují verze optimalizované pro různé sýrové chutě nebo pro vegetariánskou výrobu sýrů. Laktáza je dalším enzymem, který byl upraven tak, aby efektivněji vytvářel bezlaktózové mléko tím, že pracuje rychle i při nízkých teplotách. V pekařství pomáhají inženýrsky upravené enzymy udržet chléb déle měkký (antistárnoucí amylázy) a zlepšují zpracování těsta. Pivovarnický průmysl využívá inženýrsky upravené enzymy ke zvýšení výtěžnosti a výrobě nízkosacharidových nebo bezlepkových piv rozkladem specifických složek.
• Zlepšení výživové hodnoty potravin: Enzymy mohou rozkládat nežádoucí sloučeniny a vytvářet prospěšné. Například některá zelenina obsahuje hořké glukosinoláty; inženýrsky upravený enzym by mohl snížit hořkost úpravou těchto sloučenin (to je hypotetická, ale pravděpodobná budoucí aplikace). Skutečným příkladem jsou oligosacharidy mateřského mléka (HMO) – komplexní cukry v mateřském mléce, které prospívají zdraví střev kojenců. Tyto látky je obtížné syntetizovat chemicky, ale inženýři enzymů vyvinuli cesty využívající více enzymů k výrobě HMO pro kojeneckou výživu aiche.org. Optimalizací každého enzymu v této cestě (pro vyšší aktivitu a stabilitu) mohou nyní firmy vyrábět HMO, které byly dříve dostupné pouze v mateřském mléce, a přinášet tak výživové benefity dětem krmeným umělou výživou aiche.org.
• Snižování plýtvání potravinami & bezpečnější potraviny: Enzymy také pomáhají při konzervaci potravin. Inženýrsky upravené enzymy se používají k tomu, aby chléb vydržel déle bez plísní nebo aby se zabránilo zakalení ovocných šťáv. Například enzym, který rozkládá pektinový zákal v džusu, může být upraven tak, aby byl odolnější a pracoval rychle při studeném zpracování šťávy. Pro bezpečnější kávu lze přidat enzym (jak bylo uvedeno ve zprávě z roku 2024), který rozkládá akrylamid – potenciální karcinogen vznikající při pražení kávových zrn – aniž by ovlivnil chuť khni.kerry.com. Úpravou těchto enzymů tak, aby byly potravinářské kvality a účinné, můžeme z potravin odstranit škodlivé látky. Prodlužování trvanlivosti je další oblast: enzymy, které zabraňují žluknutí tuků nebo inhibují růst mikroorganismů, jsou přizpůsobovány tak, aby potraviny zůstaly déle čerstvé, a tím se snižovalo plýtvání.
• Nové potravinářské produkty: Inženýrství enzymů umožňuje vytvářet nové ingredience. Například rostlinný potravinářský průmysl využívá enzymy k vývoji náhražek masa a mléčných výrobků. Enzymy mohou zlepšit texturu bílkovin (například v rostlinných burgerech) nebo syntetizovat přírodní příchutě. Inženýrsky upravený transglutamináza (enzym „masové lepidlo“) se používá ke spojování rostlinných bílkovin, aby napodobily masová vlákna. Precizní fermentace – využití mikroorganismů k výrobě potravinářských ingrediencí – často spoléhá na optimalizované enzymy a dráhy. Dnes máme mléčné bílkoviny (kasein, syrovátka) vyráběné fermentací kvasinek díky upraveným enzymům a genům, které lze použít k výrobě skutečného sýra bez krav. Podobně se enzymy používají k výrobě sladidel (například enzymatický proces pro levnější výrobu sladidla z monk fruit nebo stevie RebM) khni.kerry.com. Mnohé z těchto procesů nebyly možné, dokud inženýrství enzymů neučinilo biokatalyzátory dostatečně efektivními pro komerční využití.

Celkově inženýrství enzymů pomáhá budovat udržitelnější potravinový systém, od farmy až po stůl. Zvyšuje výnosy a snižuje potřebu chemikálií v zemědělství, umožňuje čistší zpracování potravin s menším množstvím odpadu a dokonce otevírá cestu novým potravinám. Výhled v potravinářské vědě pro rok 2024 uvedl, že řízená evoluce enzymů přináší vylepšené funkce, které výrobcům umožňují vytvářet „zdravější, chutnější produkty s menším dopadem na životní prostředí“ khni.kerry.com. Enzymy nám umožňují nahradit drsné průmyslové kroky jemnými procesy na biologické bázi. Jak řekl Dr. Niall Higgins z Kerry, enzymy jsou biokatalyzátory přírody a teprve začínáme využívat jejich potenciál – jejich propojení s AI a biotechnologiemi „pozitivně naruší náš potravinový systém tím, že vybudují efektivnější a udržitelnější potravinový řetězec.“ khni.kerry.com.

A ano, toto se dotýká i vašeho každodenního života: ten enzymatický prací prostředek ve vaší prádelně (proteázy, které rozpouštějí skvrny) nebo prášek na změkčení masa ve vaší kuchyni (enzym papain) jsou produkty inženýrství enzymů, které usnadňují každodenní úkoly labinsights.nl. Takže až si příště vychutnáte pivo, sýr nebo čirý ovocný džus, je velká šance, že v tom měl prsty inženýrsky upravený enzym!

Průmyslová biotechnologie a environmentální aplikace

Mimo potravinářství a farmacie přináší inženýrství enzymů revoluci do průmyslových procesů a nabízí řešení environmentálních problémů. Průmyslová biotechnologie využívá enzymy k nahrazení tradičních chemických katalyzátorů při výrobě chemikálií, materiálů a paliv. A v environmentálních vědách nabízejí upravené enzymy nové způsoby rozkladu znečišťujících látek, recyklace odpadu a dokonce i zachycování skleníkových plynů.

Čistší průmysl díky enzymatickým procesům

Tradiční průmyslová chemie může být špinavá – produkuje toxické vedlejší produkty, spotřebovává hodně energie a spoléhá na neobnovitelné katalyzátory (jako jsou těžké kovy). Enzymy představují čistší alternativu, protože fungují ve vodě při mírných teplotách a jsou biologicky rozložitelné. Inženýrství enzymů pomáhá přizpůsobit enzymy průmyslovým podmínkám a novým substrátům:

• Textil a detergenty: Enzymy jsou přínosem pro prádelenský a textilní průmysl. Upravené proteázy a amylázy v pracích prostředcích rozkládají bílkoviny a škroby ve skvrnách, fungují i při nízkých teplotách praní a v různých hodnotách pH. Firmy tyto enzymy vylepšily tak, aby byly stabilní v práškových detergentech a v přítomnosti bělidel. Výsledek: můžete prát prádlo ve studené vodě a odstranit i odolné skvrny, čímž šetříte energii a vodu. V textilním průmyslu enzymy nahrazují agresivní chemikálie při procesech jako je “stone-washing” džínů (použití celulázových enzymů pro vybledlý vzhled denimu) a bio-leštění tkanin (proti žmolkování). Tyto enzymy byly upraveny tak, aby vydržely podmínky textilního zpracování (např. vysoké mechanické namáhání a specifické pH). Lehký průmysl využívá enzymy – včetně odchlupování kůží, bělení buničiny a papíru a výroby biopaliv ze zemědělského odpadu – a tyto aplikace se díky inženýrství enzymů výrazně rozšířily labinsights.nl.
• Biopaliva a energie: Enzymy jsou klíčové pro přeměnu biomasy (například zbytků plodin, dřeva nebo řas) na biopaliva. Celulázy, které rozkládají celulózu na cukry, jsou zásadní pro výrobu celulózového etanolu (obnovitelné palivo). Přírodní celulázy nebyly dostatečně účinné nebo se rozpadaly nad 50 °C. Díky inženýrství nyní máme směsi celuláz, které snášejí vysoké teploty a kyselé podmínky předzpracování, což zdvojnásobuje výtěžnost cukrů z biomasy. To činí výrobu biopaliv životaschopnější. V jednom projektu vědci zvýšili stabilitu dřevorozkládajícího enzymu tak, aby přežil předúpravu rostlinné hmoty a dále fungoval, čímž výrazně snížili náklady. Pracuje se také na enzymech pro výrobu biodieselu (lipázy, které přeměňují rostlinné oleje na bionaftu), aby byl tento proces čistší a enzymy znovupoužitelné. Shrnutí labinsights uvádí, že použití enzymů k výrobě paliv jako vodík, metan, etanol a methanol z rostlinných materiálů je „nový způsob, který lidé zkoumají“ pro udržitelnou energii labinsights.nl. Upravené extrémofilní enzymy (z teplomilných mikrobů) jsou zde obzvlášť cenné, protože průmyslové biopalivové reaktory často běží při vysokých teplotách.
• Chemická syntéza („zelená chemie“): Viděli jsme na příkladu sitagliptinu, jak enzymy mohou nahradit kovové katalyzátory. Mnoho jemných chemikálií a prekurzorů plastů lze také vyrábět pomocí biokatalýzy, pokud je enzym dostatečně kvalitní. Inženýrství enzymů přineslo esterázy a lipázy pro výrobu kosmetiky a potravinářských esterů (nahrazují korozivní kyselé katalyzátory), transaminázy a ketoreduktázy pro chirální chemickou syntézu ve farmacii (vytvářejí molekuly s jednou „rukou“ ve vysoké čistotě) a dokonce i nitrilázy pro výrobu organických kyselin bez nebezpečných kyselin. Přehled od American Chemical Society zdůraznil, že upravené enzymy nyní provádějí chemické reakce, které byly dříve považovány za biologicky nemožné, což umožňuje jednofázové cesty ke sloučeninám, které dříve vyžadovaly více kroků aiche.org. Tento trend činí výrobu nejen ekologičtější, ale často i levnější, protože procesy vyžadují méně čištění a probíhají za normálního tlaku.

Inženýrství enzymů pro environmentální řešení

Možná nejvíce inspirující je, jak je inženýrství enzymů využíváno v boji proti znečištění a na pomoc životnímu prostředí:

• Enzymy požírající plast: V roce 2016 japonští vědci objevili bakterii (Ideonella sakaiensis), která se vyvinula tak, že dokáže požírat PET plast (běžný v lahvích na vodu) theguardian.com. Produkuje enzym nazývaný PETase, který dokáže rozložit PET na jeho stavební bloky. Přírodní enzym byl však pomalý – rozložení malého kousku plastu trvalo týdny theguardian.com. Nastupují inženýři enzymů: několik výzkumných skupin po celém světě začalo mutovat a vyvíjet PETase, aby byl rychlejší a stabilnější. Do roku 2020 vytvořil jeden tým mutant, který byl asi 6x rychlejší. Poté v roce 2022 došlo k průlomu na Texaské univerzitě v Austinu, kde vznikla varianta PETase nazvaná FAST-PETase, která dokázala depolymerizovat plastový odpad za pouhých 24 hodin za mírných podmínek news.utexas.edu. Tento enzym byl navržen pomocí algoritmu strojového učení (k identifikaci prospěšných mutací) a poté testován a vylepšován v laboratoři news.utexas.edu. Hal Alper, vedoucí projektu, řekl: „Možnosti jsou nekonečné napříč průmysly, jak toho využít… Díky těmto udržitelnějším enzymatickým přístupům si můžeme začít představovat skutečně cirkulární ekonomiku plastů.“ news.utexas.edu. Jinými slovy, enzymy by nám mohly umožnit recyklovat plasty donekonečna tím, že je rozloží na suroviny a znovu syntetizují, místo abychom je vyhazovali nebo spalovali. To je zásadní změna v boji proti znečištění plasty. Jak poznamenal další výzkumník, Andy Pickford, o původním enzymu PETase: „enzym Ideonella je vlastně teprve na začátku svého evolučního vývoje… Cílem lidských vědců je dovést ho až do konce.“ theguardian.com Přesně to nyní sledujeme – evoluci řízenou člověkem, která z pomalého „okusovače“ plastu dělá nenasytný recyklátor plastů. Firmy a startupy (například Protein Evolution, podle zprávy Forbes z roku 2023) nyní využívají AI a řízenou evoluci k vytváření enzymů, které tráví různé plasty a polymery, což by mohlo pomoci řešit naše problémy se skládkami a odpadem v oceánech pmc.ncbi.nlm.nih.gov.
• Čištění životního prostředí: Kromě plastů mohou upravené enzymy rozkládat i další znečišťující látky. Například enzymy zvané laktázy a peroxidázy (z hub a bakterií) dokážou rozkládat toxická barviva v odpadních vodách z textilního průmyslu a dokonce i některé pesticidy. Tyto enzymy byly upraveny tak, aby byly stabilnější v přítomnosti znečišťujících látek a pracovaly při vyšších hodnotách pH v průmyslových odpadních vodách phys.org. Dalším cílem jsou ropné skvrny – vědci vylepšují enzymy jako alkánhydroxylázy, které rozkládají uhlovodíky v ropě, aby pomohli s bioremediací havárií. Probíhá také výzkum enzymů, které by mohly rozkládat PFAS („věčné chemikálie“) – velmi stabilní chemické znečišťující látky – a to úpravou přirozeně se vyskytujících enzymů, které napadají podobné vazby. I když je to náročné, několik laboratoří již oznámilo počáteční úspěch v inženýrství enzymů, které pomalu rozkládají některé sloučeniny PFAS (jedná se o průkopnickou oblast k roku 2025).
• Zachycování uhlíku a klima: Enzymy by mohly dokonce pomoci v boji proti změně klimatu. Jedním z nápadů je využití enzymů fixujících uhlík (jako je rubisco nebo karbonátová anhydráza) k efektivnějšímu zachycování CO₂. Přirozený rubisco v rostlinách není příliš rychlý, proto se vědci snaží jej upravit nebo přenést efektivnější verze z bakterií do zemědělských plodin. Pokrok je zatím mírný, ale i malé zlepšení účinnosti fixace CO₂ by mohlo zvýšit výnosy plodin nebo produkci biopaliv. Karbonátová anhydráza, která přeměňuje CO₂ na hydrogenuhličitan, byla upravena tak, aby fungovala v průmyslových řešeních pro zachycování uhlíku a pomáhala zachytávat CO₂ z výfukových plynů elektráren. Přehled z roku 2023 zdůraznil využití upravených enzymů ke zlepšení zachycování a využití uhlíku a označil to za klíčovou oblast pro udržitelnost pmc.ncbi.nlm.nih.gov, longdom.org. Samotné enzymy sice změnu klimatu nevyřeší, ale jsou cennou součástí nástrojů pro správu uhlíku a tvorbu uhlíkově neutrálních paliv (prostřednictvím enzymatické recyklace CO₂ na chemikálie).
• Čištění odpadních vod: Enzymy se používají k čištění odpadních a splaškových vod rozkladem organických látek a toxinů. Například organofosfátové hydrolázy byly upraveny tak, aby rozkládaly nervové látky a pesticidy ve vodě. Nitrilázy a dehydrogenázy dokážou detoxikovat průmyslová rozpouštědla. Zlepšením aktivity a rozsahu těchto enzymů mohou čistírny odpadních vod účinněji neutralizovat škodlivé chemikálie před vypuštěním vody. V jednom případě vědci upravili enzym, který rozkládá běžný kontaminant podzemních vod (1,2-dichlorethan), a dosáhli rychlejší dekontaminace. Enzymy nabízejí bioremediační přístup, který lze někdy provádět přímo na místě pouhým přidáním enzymu nebo mikroorganismů, které jej produkují.

Od průmyslové katalýzy po čištění životního prostředí, inženýrství enzymů poskytuje čistší, bezpečnější a často levnější řešení. Je v souladu se zásadami udržitelnosti – využívá obnovitelné biologické katalyzátory k nahrazení agresivních chemikálií. Jak to Královská švédská akademie formulovala, laureáti Nobelovy ceny za rok 2018 ukázali, jak řízená evoluce může vytvářet „proteiny, které řeší chemické problémy lidstva“ businessinsider.com. Vidíme to v praxi na těchto příkladech: ať už je „chemickým problémem“ znečišťující tovární proces nebo toxický polutant, upravené enzymy přicházejí jako řešitelé problémů.

Abychom uvedli silný nedávný příklad, vezměme si, co řekl Andrew Ellington (biochemik zapojený do práce na FAST-PETase): „Tato práce skutečně ukazuje sílu spojení různých oborů, od syntetické biologie přes chemické inženýrství až po umělou inteligenci.“ news.utexas.edu Inženýrství enzymů skutečně stojí na křižovatce oborů – a jeho úspěšné příběhy, jako je enzym rozkládající plasty, jsou důkazem této spolupráce.

Nedávné průlomy (2024–2025) a budoucí výhled

K roku 2024–2025 se inženýrství enzymů rozvíjí závratnou rychlostí díky novým technologiím. Zde jsou některé hlavní trendy a průlomy za poslední rok či dva, které ukazují, kam se obor ubírá:

• Enzymy navržené AI: Významného milníku bylo dosaženo začátkem roku 2023, kdy vědci oznámili první enzymy zcela vytvořené návrhem AI, které fungují stejně dobře jako ty přírodní newsroom.uw.edu. Trénováním modelů hlubokého učení na databázích sekvencí proteinů mohou vědci nyní generovat nové struktury enzymů přizpůsobené pro vazbu na specifické molekuly. Článek v Nature „De novo design luciferáz pomocí hlubokého učení“ to demonstroval vytvořením enzymů, které vyzařují světlo (luciferázy) pro zvolené chemické substráty newsroom.uw.edu. Tyto enzymy navržené AI byly po určité laboratorní úpravě ve skutečnosti účinnější než některé nalezené v přírodě newsroom.uw.edu. Tento průlom naznačuje, že v blízké budoucnosti, pokud budete mít na mysli chemickou reakci, můžete požádat AI, aby pro ni „vymyslela“ enzym. Jak poznamenal Dr. David Baker, toto by mohlo umožnit tvorbu vlastních enzymů pro téměř jakoukoli reakci, což by prospělo „biotechnologii, medicíně, environmentální sanaci a výrobě“ newsroom.uw.edu. Několik startupů (jako Catalyze a ProteinQure) se nyní v této oblasti snaží zkrátit vývojový cyklus enzymů pomocí algoritmů.
• Systémy kontinuální evoluce: Tradiční řízená evoluce je postupná a pracná – mutace, exprese, screening, opakování. Nové metody toto automatizují, například systémy kontinuální řízené evoluce, kde bakterie nebo fágy mutují cílový gen v reálném čase během replikace. V roce 2024 vědci představili vylepšené systémy (jako MutaT7 a další), které dokážou vyvíjet enzymy nepřetržitě uvnitř živých buněk, což dramaticky urychluje proces biorxiv.orgs, ciencedirect.com. Jedna z těchto metod spojila aktivitu enzymu s růstem buněk, takže přežily a množily se pouze buňky s lepším enzymem – elegantní selekce, která probíhala po mnoho generací a vedla k vysoce optimalizovanému enzymu během několika dní místo měsíců journals.asm.org. Automatizace a mikrofluidika se také používají k provádění řízené evoluce s minimálním zásahem člověka, což by v budoucnu mohlo učinit optimalizaci enzymů převážně robotizovaným procesem.
• Hybridní přístupy (strojové učení + evoluce): Vědci kombinují umělou inteligenci s laboratorní evolucí v uzavřené smyčce. V jedné zprávě z roku 2022 model strojového učení určoval, které mutace provést (učil se z dat každého kola) a tato řízená evoluce dosáhla lepšího enzymu s menším počtem kol molecularbiosci.utexas.edu. Tento přístup „aktivního učení“ je stále populárnější – algoritmus v podstatě předpovídá slibné mutace, ty jsou testovány, data se vrací zpět a model aktualizuje své předpovědi. To může zmenšit velikost knihoven a zaměřit se na prospěšné změny. Jak se enzymatické datasety rozrůstají, tyto modely se stávají chytřejšími. Dá se očekávat, že do roku 2025 a dále bude většina kampaní řízené evoluce do určité míry využívat AI, což učiní hledání efektivnějším.
• Rozšiřování enzymatické sady nástrojů: Objevují se nové enzymy z extrémních prostředí (horké prameny, hlubokomořské průduchy, polární led), které mají zajímavé schopnosti (tzv. extremozymy). V roce 2024 skupina vědců oznámila úpravu enzymu z hlubokomořského mikroba, který funguje v průmyslové katalýze při 5 °C, což otevírá možnosti pro energeticky úsporné procesy (není třeba ohřívat reaktory) pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Pozornost se také zaměřuje na umělé enzymy – nejde vůbec o proteiny, ale o navržené molekuly (například DNA enzymy nebo peptidové katalyzátory). Proteinové enzymy jsou však stále hlavními „pracanty“ díky evolučnímu náskoku.
• Řešení lékařských výzev: Inženýrství enzymů zůstává v popředí lékařských inovací. Nedávný průlom (2025) zahrnoval upravený enzym, který dokáže překonat hematoencefalickou bariéru a rozkládat toxický metabolit v mozku, což nabízí potenciální léčbu vzácného neurologického onemocnění (jde o hypotetický příklad aktivního směru výzkumu). Také na konci roku 2024 vědci oznámili vysoce vyvinutou variantu enzymu CRISPR-Cas s extrémně nízkou mimo cílovou aktivitou, což činí úpravu genů přesnější – tato varianta byla získána řízenou evolucí a mohla by zlepšit bezpečnost CRISPR terapií.
• Regulace a veřejné přijetí: S velkou mocí přichází i odpovědnost a pohled do budoucna není úplný bez zmínky o regulaci a vnímání veřejností. Upravené enzymy používané v potravinách nebo uvolňované do životního prostředí procházejí bezpečnostními posouzeními. Regulační orgány v EU a USA jsou obecně vstřícné, protože enzymatické produkty často nahrazují agresivnější chemikálie. Přesto musí být enzymy produkované GMO mikroby v některých jurisdikcích označeny. Veřejné přijetí je vysoké, pokud jsou přínosy (např. méně znečištění, lepší výživa) zřejmé, ale klíčová je transparentnost. Odborníci předpovídají „rostoucí obavy ohledně regulačního prostředí“, jak více produktů z upravených mikrobů vstupuje do potravinářství a zemědělství khni.kerry.com. Komunikace bezpečnosti a výhod enzymatických technologií bude trvalým úkolem.

Závěrem lze říci, že inženýrství enzymů zažívá vlnu technologického pokroku a v příštích letech pravděpodobně uvidíme ještě rychlejší a radikálnější vývoj. Jak to vystihl jeden titulek z roku 2023, „Vědci používají umělou inteligenci k vymýšlení umělých enzymů“ singularityhub.com – a tyto sny se v laboratoři stávají skutečností. Synergie biologie a technologie je zde hluboká: evoluce (přírodní návrhový algoritmus) je nyní doplněna lidskými návrhovými algoritmy.

Závěrečné myšlenky

Inženýrství enzymů možná není v povědomí veřejnosti tak slavné jako editace genů nebo umělá inteligence, ale jeho dopad je bezpochyby stejně dalekosáhlý. Tím, že využíváme a vylepšujeme přírodní katalyzátory, přetváříme odvětví, která ovlivňují každý aspekt každodenního života – od léků, které užíváme, přes jídlo, které jíme, oblečení, které nosíme, až po prostředí, ve kterém žijeme. A děje se to způsobem, který často činí tyto procesy čistšími a udržitelnějšími.

Jak jednou citovala nositelka Nobelovy ceny Frances Arnold: „Inovace evolucí: přinášení nové chemie do života.“ aiche.org Inženýrství enzymů tuto frázi ztělesňuje. Využívá inovace inspirované evolucí k vytváření nové chemie – ať už jde o lék, který zachraňuje životy, nebo enzym, který rozkládá plast. Toto odvětví má bohatou historii průlomů a v současnosti zažívá nebývalý rozmach inovací. V roce 2025 jsme svědky transformace v tom, jak řešíme problémy pomocí biologie. Inženýři enzymů v podstatě vytvářejí řešení, která jsou chytřejší, ekologičtější a více v souladu se samotným životem. A tato enzymová revoluce teprve začíná.

Stručná historie inženýrství enzymů

Enzymy používají lidé po tisíciletí (i když často nevědomky) – stačí si vzpomenout na starověké vaření piva, výrobu sýra nebo kvašení chleba, kde práci odvádějí přírodní enzymy v mikroorganismech. Vědecké poznání enzymů však začalo až v 19. století studiem trávení a chemie kvašení pmc.ncbi.nlm.nih.gov. V polovině 20. století vědci zjistili, že enzymy jsou bílkoviny, rozluštili jejich základní struktury a způsob, jakým katalyzují reakce. To položilo teoretické základy pro inženýrství enzymů pmc.ncbi.nlm.nih.gov: pokud rozumíme struktuře enzymu, můžeme ji upravit podle svých potřeb?

Obor skutečně zaznamenal rozmach až ve druhé polovině 20. století díky průlomům v molekulární biologii. Dvě Nobelovou cenou oceněné inovace ze 70. a 80. let připravily půdu:

• Rekombinantní technologie DNA (genetické inženýrství): Nástroje pro štěpení, spojování a klonování DNA (průkopníci Paul Berg, Herbert Boyer, Stanley Cohen atd.) umožnily vědcům izolovat a upravovat geny pro enzymy. V 80. letech se stalo možné vyrábět rekombinantní enzymy – například produkovat lidský inzulin nebo průmyslové enzymy v bakteriích či kvasinkách, což výrazně zvýšilo dostupnost enzymů pro experimenty a využití.
• Cílená mutageneze: Tuto metodu vynalezl Michael Smith v 70. letech a umožnila záměrné změny jednotlivých písmen v DNA nobelprize.org. Za to Michael Smith sdílel Nobelovu cenu za chemii v roce 1993. Biochemici tak mohli vytvořit specifickou mutaci v enzymu a pozorovat její účinek, což výrazně zlepšilo pochopení vztahu mezi strukturou a funkcí enzymů. Tisková zpráva Nobelovy ceny v roce 1993 uvedla, že „Smithovou metodou je možné přeprogramovat genetický kód… a nahradit specifické aminokyseliny v proteinech. …možnosti konstrukce proteinů s novými vlastnostmi se [zásadně] změnily.“ nobelprize.org To byl zrod záměrného návrhu proteinů. Mezi první úspěchy patřilo vylepšení enzymů tak, aby vydržely vyšší teploty, nebo inženýrství protilátek (což jsou vazebné proteiny) pro cílení na nádory nobelprize.org – primitivní formy zakázkových proteinů pro medicínu a průmysl.

Racionální návrh byl však tehdy omezen našimi neúplnými znalostmi. V 80. letech se mnoho vědců snažilo „obejít evoluci“ analýzou struktur enzymů a předpovídáním prospěšných mutací, ale často to bylo frustrující aiche.org. Ukázalo se, že enzymy jsou velmi složité; změna jedné části často měla nepředvídatelné účinky na celek. Jak uvedl jeden přehled, vědci zjistili, že „enzymy nejsou tak snadno pochopitelné“ – „většina polypeptidového řetězce“ kolem aktivního místa je také důležitá pro funkci aiche.org. Do konce 80. let byly čistě racionální úpravy enzymů jen mírně úspěšné.

Průlom přišel na počátku 90. let 20. století s metodou řízené evoluce. V roce 1993 Frances H. Arnold – frustrovaná neúspěšnými racionálními návrhy – publikovala první ukázku evoluce enzymu pomocí náhodné mutace a selekce za účelem zlepšení jeho funkce. Během 90. let a 2000s techniky řízené evoluce vzkvétaly, a to díky vynálezům jako je error-prone PCR (snadné zavádění náhodných mutací) a DNA shuffling (rekombinace částí genů za účelem kombinace prospěšných mutací) sigmaaldrich.com. Výzkumníci také vyvinuli metody vysokokapacitního screeningu a chytré selekce pro prohledávání knihoven enzymů s požadovanými vlastnostmi. Řízená evoluce se ukázala jako neuvěřitelně silný nástroj pro optimalizaci aktivity, specificity, stability enzymů, prostě všeho. Nepotřebovala detailní předchozí znalosti – stačil dobrý systém pro generování diverzity a nalezení vítězů. Během následujících dvou dekád tento přístup zrevolucionalizoval inženýrství enzymů jak v akademické sféře, tak v průmyslu. Enzymy byly evolučně upraveny tak, aby prováděly nové reakce (dokonce i takové, které se v přírodě nevyskytují), fungovaly v nepřirozených prostředích (například v toxických rozpouštědlech nebo extrémním pH) a zlepšovaly průmyslové procesy. „Evoluce je jednoduchý a extrémně silný algoritmus mutace a selekce,“ jak poznamenal jeden článek – a nyní mohli inženýři tento algoritmus využívat dle libosti aiche.org. Tím, že uplatňujeme selekci na to, co chceme, v podstatě přesvědčujeme Přírodu, aby za nás vymýšlela řešení.

Významným úspěchem v reálném světě byl vývoj evolvovaného enzymu pro syntézu léčiv společností Merck (cca 2007–2010). Merck ve spolupráci s biotechnologickou firmou Codexis použil řízenou evoluci ke zlepšení enzymu pro výrobu léku na cukrovku sitagliptinu. Konečný enzym (po několika kolech evoluce) provedl klíčový chemický krok s 99,95% selektivitou a vysokým výtěžkem, čímž nahradil katalyzátor z těžkých kovů a odstranil několik kroků aiche.org. Enzymatický proces zvýšil celkový výtěžek o 13 % a snížil chemický odpad o 19 %, přičemž eliminoval potřebu vysokotlakého vodíkového plynu a toxických kovů aiche.org. Toto byl milník, který ukázal, že upravené enzymy mohou učinit farmaceutickou výrobu ekologičtější a efektivnější – a Arnoldová a její spolupracovníci za to v roce 2010 získali prestižní ocenění Greener Chemistry. K roku 2018 byl dopad řízené evoluce natolik zásadní, že Frances Arnoldová, Gregory Winter a George Smith získali Nobelovu cenu za chemii. Winter a Smith vyvinuli metody pro evoluci proteinů, jako jsou protilátky, pomocí fágového zobrazení, a Arnoldová pro enzymy – společně ukázali, že „využití síly evoluce“ může přinést vynálezy jako nová léčiva, biopaliva a katalyzátorybusinessinsider.com.

Do 21. století se inženýrství enzymů pouze zrychlilo. Konec 2010. let a začátek 2020. let přinesl pokrok v oblasti počítačového návrhu proteinů (využívání softwaru jako Rosetta k navrhování enzymů pro specifické reakce) a nástup umělé inteligence v inženýrství proteinů. Díky obrovským databázím proteinů a strojovému učení mohou vědci předpovídat struktury enzymů (díky průlomům jako AlphaFold) a dokonce generovat nové sekvence enzymů s požadovanými funkcemi newsroom.uw.edu. V letech 2022–2023 vědci oznámili využití hlubokého učení k vytvoření nových enzymů od základu (zejména nových luciferázových enzymů, jak bylo zmíněno výše) newsroom.uw.edu. Mezitím metody jako kontinuální řízená evoluce a automatizovaný vysokokapacitní screening urychlují evoluční proces a činí jej více automatizovaným biorxiv.org, sciencedirect.com. Inženýrství enzymů je dnes bohatou kombinací biologie, inženýrství a datové vědy – což je zásadní rozdíl oproti dřívější metodě pokus-omyl. Jak uvedla jedna průmyslová zpráva z roku 2024, jsme teprve na „špičce ledovce“ v oblasti využití enzymů – byla prozkoumána jen nepatrná část možných enzymů, takže potenciál je obrovský khni.kerry.com.

Klíčové techniky v inženýrství enzymů

Inženýři enzymů mají k dispozici sadu metod pro vytváření vylepšených enzymů. Zde jsou některé z hlavních technik a jak fungují:

• Mutageneze řízená místem: Precizní metoda pro změnu konkrétních aminokyselin v enzymu. Vědci navrhnou krátký DNA primer s požadovanou mutací a použijí jej ke kopírování genu, čímž změnu zavedou. Je to jako upravit jedno písmeno v plánu. Skvěle se hodí k testování hypotéz (např. „zvýší změna této glycinu na alanin stabilitu enzymu?“) a k jemnému ladění aktivních míst enzymu. Mutageneze řízená místem byla první metodou inženýrství proteinů a stále se široce používá nobelprize.org. Jejím omezením je, že musíte zvolit mutaci – úspěch tedy závisí na tom, jak dobrý je váš odhad.
• Řízená evoluce: Výkonná metoda, jak bylo popsáno dříve. Místo jedné cílené změny vytvoříte mnoho náhodných mutací a vyhledáváte lepší enzym. Klíčové kroky zahrnují vytvoření knihovny variant (pomocí chybně náchylné PCR, DNA shufflingu příbuzných genů nebo jiných mutagenních technik sigmaaldrich.com) a systému pro screening nebo selekci, abyste našli vylepšené varianty. Například pokud chcete rychlejší enzym, můžete vyhledávat kolonie, které rychleji mění barvu substrátu, nebo pokud chcete enzym fungující při vysoké teplotě, vybírat přeživší po zahřátí. Řízená evoluce může přinést překvapivá zlepšení – enzymy získávající 100× vyšší aktivitu, nebo schopnost fungovat ve vroucí vodě atd. Je to metoda pokus-omyl řízená slepým hledáním evoluce, ale mimořádně účinná. Jak shrnul jeden článek, „Řízená evoluce… generuje náhodné mutace v genu zájmu… napodobuje přirozenou evoluci tím, že uplatňuje přísnou selekci k identifikaci proteinů s optimalizovanou funkcionalitou“ sigmaaldrich.com. Tato metoda nevyžaduje znalost struktury enzymu, což je obrovská výhoda.
• Vysokokapacitní screening a selekce: Nejde přímo o inženýrské metody, ale o klíčové součásti zejména řízené evoluce. Zahrnují techniky pro rychlé testování tisíců variant enzymů. Například: kolorimetrické testy v mikrodestičkách, třídění buněk pomocí fluorescence (FACS) pro výběr buněk s aktivními enzymy, fágový display pro propojení proteinů s DNA při selekci, nebo růstová komplementace, kdy pouze vylepšené enzymy umožní bakteriím růst za určitých podmínek sigmaaldrich.com. Čím lepší je vaše screeningová metoda („dostanete to, co screenujete“ aiche.org), tím pravděpodobněji najdete potřebnou variantu enzymu.
• Imobilizace a chemická modifikace: Někdy není inženýrství enzymu jen o změně jeho aminokyselin. Imobilizace enzymů je technika, při které se enzymy připojují na pevné nosiče (například kuličky nebo pryskyřici), což může zlepšit jejich stabilitu a umožnit opakované použití v průmyslových reaktorech labinsights.nll. I když se tím nemění sekvence enzymu, jde o inženýrský přístup, jak učinit enzymy praktičtějšími (neodplaví se a často lépe snášejí podmínky, když jsou imobilizované). Chemické modifikace, jako je připojení polymerů (PEGylace) nebo propojování molekul enzymu, mohou také zlepšit vlastnosti, například stabilitu nebo poločas v léku. Tyto metody jsou označovány jako „druhá generace“ enzymových technologií už od 70. let labinsights.nl a doplňují genetické modifikace.
• Počítačový (in silico) design: Rychle rostoucím přístupem je využití počítačových algoritmů k navrhování nových enzymů nebo vylepšování těch stávajících. Simulací struktur enzymů a fyziky jejich aktivních míst se vědci snaží předpovědět mutace, které by mohly vytvořit požadovanou aktivitu. První pokusy v 2000s často selhávaly, ale obor pokročil. Dnes programy dokážou navrhnout enzymy pro určité reakce (například Diels-Alderovu reakci ve slavné studii z roku 2010) a tyto návrhy jsou pak vyrobeny v laboratoři a testovány. Významně nyní strojové učení pomáhá procházet obrovský „prostor možností“ proteinových variant. V roce 2022 tým vyvinul model strojového učení nazvaný MutCompute, který vedl mutace u enzymu rozkládajícího plasty a výrazně zvýšil jeho výkon molecularbiosci.utexas.edu. A jak bylo zmíněno, v roce 2023 se objevily první enzymy navržené umělou inteligencí, které skutečně prováděly novou chemii newsroom.uw.edu. Počítačový design je stále často kombinován se skutečnou evolucí/experimenty – AI může navrhnout kandidáty, ale laboratorní testování a vylepšování (i evoluce) je pak potvrzuje a zlepšuje. Přesto je trend směrem k „inteligentnímu“ inženýrství enzymů podporovanému velkými daty. Odborníci předpovídají, že v budoucnu budou počítače spolehlivě navrhovat „dokonalý enzym“ pro daný úkol, čímž se sníží potřeba obrovských screeningových knihovenaiche.org – i když tam zatím ještě nejsme.

Kombinací těchto technik mohou nyní vědci optimalizovat enzymy předvídatelným a opakovatelným způsobem. Jak shrnuje jedna recenze z roku 2021, „dnes je inženýrství enzymů vyspělým oborem, který dokáže předvídatelně optimalizovat katalyzátor pro požadovaný produkt… a rozšiřuje škálu průmyslových aplikací enzymů.“ aiche.org. Stručně řečeno, to, co bývalo pokusy a omyly, se stále více stává racionální, na datech založenou inženýrskou disciplínou.

Aplikace v medicíně a farmacii

Jedním z nejzajímavějších dopadů inženýrství enzymů je medicína a vývoj léčiv. Enzymy hrají roli v našem těle i při výrobě mnoha moderních léků. Inženýrstvím enzymů vědci vytvářejí nové terapie a zlepšují výrobu léčiv:

• Ekologičtější výroba léčiv: Mnoho léků jsou složité organické molekuly, které tradičně vyžadují vícestupňovou syntetickou chemii (často s toxickými činidly nebo nákladnými podmínkami). Inženýrské enzymy mohou tyto přeměny provádět čistěji. Vlajkovým příkladem je výroba sitagliptinu (Januvia) na cukrovku: Společnost Merck optimalizovala enzym pomocí řízené evoluce, aby nahradila chemický katalyzátor ve výrobním procesu. Výsledkem byla efektivnější reakce s vyšším výtěžkem a méně nebezpečným odpadem aiche.org. Tento úspěch ukázal, že „inženýrství enzymů bylo klíčové“ pro zjednodušení náročné chemické syntézy, dosažení o 13 % vyššího výtěžku a o 19 % méně odpadu díky použití vyvinutého enzymu aiche.org. Od té doby mnoho farmaceutických společností přijalo enzymové katalyzátory pro výrobu léčiv (například při výrobě léku na snížení cholesterolu atorvastatinu a dalších), což výrazně snižuje ekologickou stopu i náklady.
• Enzymové terapie: Některá onemocnění jsou způsobena chybějícími nebo nefunkčními enzymy v těle (například lyzosomální střádavé choroby, kdy pacientovi chybí specifický enzym pro rozklad určitých metabolitů). Inženýrství enzymů umožňuje navrhovat enzymové substituční terapie, které jsou bezpečnější a účinnější. Firmy upravily enzymy používané jako léky (např. PEGylací enzymu pro prodloužení jeho cirkulace v těle nebo změnou aminokyselin pro snížení imunitní reakce). Významným případem je enzym asparagináza, používaný k léčbě leukémie vyhladověním rakovinných buněk o asparagin. Vědci vyvinuli verzi asparaginázy s nižšími vedlejšími účinky a vyšší stabilitou, čímž zlepšili její terapeutický profil pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Podobně jsou laktázové enzymy inženýrsky upraveny a prodávány jako doplňky, které pomáhají lidem s intolerancí laktózy trávit mléčné výrobky.
• Biofarmaceutika a biologika: Kromě klasických enzymů těží z technik proteinového inženýrství i široké pole proteinových terapeutik (protilátky, cytokiny atd.). Nobelova cena za rok 2018 ocenila Sira Gregoryho Wintera za evoluci protilátek pomocí fágového displaye – v podstatě aplikaci inženýrství enzymů/proteinů k vývoji nových léků, jako je Humira, nejprodávanější lék na autoimunitní onemocnění na světě businessinsider.com. Tato práce je blízkým příbuzným inženýrství enzymů. Ve skutečnosti tisková zpráva Nobelova výboru zdůraznila, že tyto metody vedly k vytvoření „protilátek, které napadají rakovinu“ a dalším průlomům nobelprize.org. Dnes laboratoře rutinně používají řízenou evoluci nebo racionální design ke zlepšení vazby a specificity protilátkových léků.
• Diagnostika a biosenzory: Inženýrské enzymy jsou také klíčové v lékařské diagnostice. Představte si testovací proužky na glukózu v krvi pro diabetiky – používají enzym glukóza oxidázu. Úpravou těchto enzymů vědci zlepšili citlivost a stabilitu diagnostických testů. Enzymy kombinované s protilátkami v ELISA sadách nebo s elektrodami v biosenzorech dokážou detekovat biomarkery i v nízkých koncentracích. Například vědci navrhli enzymy pro lepší detekci určitých metabolitů nebo dokonce virů v rámci point-of-care testů labinsights.nl. Jak jsme viděli během COVID-19, enzymy jako PCR polymerázy a CRISPR-asociované enzymy byly optimalizovány pro rychlou detekci virového genetického materiálu. Inženýrství enzymů tak přispívá k rychlejším a přesnějším lékařským testům.
• Nové terapeutické strategie: Některé nejmodernější terapie doslova používají enzymy jako „léky“ k novým účelům. Jedním příkladem je použití bakteriálního enzymu k filtrování toxinů z krve v dialyzačních přístrojích (vědci experimentovali s enzymy, které rozkládají uremické toxiny během dialýzy ledvin labinsights.nl). Dalším je terapie rakoviny, která využívá enzymy k aktivaci chemoterapeutik pouze v místě nádoru (enzym je navržen tak, aby přeměnil netoxický pro-lék na toxický lék v nádorové tkáni, čímž šetří zdravé buňky). Enzymy jsou také navrhovány tak, aby rozkládaly ochrannou matrix kolem nádorů nebo omezovaly přísun živin do nádorů – vše jsou to vysoce cílené přístupy, které jsou předmětem výzkumu.

Shrnuto, inženýrství enzymů pomáhá vyrábět léky levněji a ekologičtěji a umožňuje nové léčby a diagnostiku. Jak řekl jeden odborník: „možnosti jsou nekonečné“ – od nakládání s odpady ve farmacii až po doručování léků přímo v těle news.utexas.edu. A protože jsou enzymy velmi specifické, jejich použití v medicíně může snížit vedlejší účinky ve srovnání s běžnými chemikáliemi. Je to významný krok směrem k personalizovanější a udržitelnější zdravotní péči.

Názor odborníka: Když se zamyslíme nad celkovým obrazem, nositelka Nobelovy ceny Frances Arnold poznamenala, že napodobení evolučního návrhového procesu přírody otevřelo svět nových lékařských řešení. „Veškerá ta úžasná krása a složitost biologického světa vzniká díky jednomu jednoduchému, krásnému návrhovému algoritmu… Tento algoritmus používám k vytváření nových biologických věcí,“ řekla Arnold businessinsider.com. Tyto „nové biologické věci“ zahrnují pokročilé enzymy a proteiny, které dnes zachraňují životy.

Využití v zemědělství a potravinářství

Inženýrství enzymů mění způsob, jakým pěstujeme potraviny, jak je vyrábíme a dokonce i to, co jíme. V zemědělství a potravinářském průmyslu jsou enzymy již dlouho nepostradatelné (například syřidlo při výrobě sýra nebo amylázy při pečení chleba). Nyní umožňují upravené enzymy udržitelnější, efektivnější a výživnější produkci potravin:

• Růst a ochrana plodin: Zemědělci a agrotechnologické firmy využívají enzymy ke zlepšení zdraví půdy a rostlin. Například rostliny potřebují fosfor, ale většina je v půdě vázána jako kyselina fytová, kterou zvířata nedokážou strávit. Fytázy jsou enzymy, které uvolňují fosfát z kyseliny fytové; vědci vyvinuli fytázové enzymy, které jsou odolnější vůči teplu (aby přežily v krmných peletách) a aktivní ve střevech. Přidání těchto upravených enzymů do krmiva pro hospodářská zvířata výrazně zvyšuje vstřebávání živin a snižuje znečištění fosforem ze zvířecího odpadu link.springer.com, abvista.com. Probíhají také snahy vytvořit transgenní plodiny, které tyto enzymy produkují přímo ve svých semenech, což činí plodiny výživnějšími pro zvířata i lidi pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Dále lze optimalizovat i přirozené rostlinné nebo mikrobiální enzymy, které chrání před škůdci či chorobami. Výzkumníci experimentovali s enzymy, které rozkládají houbové toxiny nebo chitinové schránky hmyzu jako ekologické pesticidy, i když tyto možnosti jsou zatím v počátcích.
• Zpracování potravin a kvalita: Tady už enzymy vynikají – od vaření piva po zjemňování masa – a inženýrství enzymů to ještě posiluje. Inženýrsky upravené enzymy pomáhají zpracovávat potraviny efektivněji a zlepšují jejich kvalitu. Například enzymy při zpracování škrobu (pro výrobu sladidel jako je glukózo-fruktózový sirup) měly tradičně omezení v teplotě a pH. Úpravou těchto enzymů (např. amyláz, které štěpí škrob, a glukózoizomerázy, která přeměňuje glukózu na fruktózu) dosáhly firmy procesů při vyšších teplotách a optimálním pH, což vedlo ke sladšímu produktu s méně nečistotami aiche.org. V mlékárenství byl enzym chymosin (používaný při výrobě sýra) jedním z prvních proteinů produkovaných pomocí rekombinantní DNA; nyní existují verze optimalizované pro různé sýrové chutě nebo pro vegetariánskou výrobu sýrů. Laktáza je dalším enzymem, který byl upraven tak, aby efektivněji vytvářel bezlaktózové mléko tím, že pracuje rychle i při nízkých teplotách. V pekařství pomáhají inženýrsky upravené enzymy udržet chléb déle měkký (antistárnoucí amylázy) a zlepšují zpracování těsta. Pivovarnický průmysl využívá upravené enzymy ke zvýšení výtěžnosti a výrobě nízkosacharidových nebo bezlepkových piv rozkladem specifických složek.
• Zlepšení výživové hodnoty potravin: Enzymy mohou rozkládat nežádoucí sloučeniny a vytvářet prospěšné. Například některé druhy zeleniny obsahují hořké glukosinoláty; inženýrsky upravený enzym by mohl snížit hořkost úpravou těchto sloučenin (to je hypotetická, ale pravděpodobná budoucí aplikace). Skutečným příkladem jsou oligosacharidy mateřského mléka (HMO) – komplexní cukry v mateřském mléce, které prospívají zdraví střev kojenců. Tyto látky je obtížné syntetizovat chemicky, ale inženýři enzymů vyvinuli cesty využívající více enzymů k výrobě HMO pro kojeneckou výživu aiche.org. Optimalizací každého enzymu v této cestě (pro vyšší aktivitu a stabilitu) mohou nyní firmy vyrábět HMO, které byly dříve dostupné pouze v mateřském mléce, a přinášet tak výživové benefity dětem krmeným umělou výživou aiche.org.
• Snižování plýtvání potravinami & bezpečnější potraviny: Enzymy také pomáhají při konzervaci potravin. Inženýrsky upravené enzymy se používají k tomu, aby chléb vydržel déle bez plísní nebo aby se zabránilo zakalení ovocných šťáv. Například enzym, který rozkládá pektinový zákal v džusu, může být upraven tak, aby byl odolnější a pracoval rychle při studeném zpracování šťáv. Pro bezpečnější kávu lze přidat enzym (jak bylo zmíněno ve zprávě z roku 2024), který rozkládá akrylamid – potenciální karcinogen vznikající při pražení kávových zrn – aniž by ovlivnil chuť khni.kerry.com. Úpravou těchto enzymů tak, aby byly potravinářské kvality a účinné, můžeme z potravin odstraňovat škodlivé látky. Prodlužování trvanlivosti je další oblast: enzymy, které zabraňují žluknutí tuků nebo inhibují růst mikroorganismů, jsou upravovány tak, aby udržely potraviny déle čerstvé a tím snižovaly plýtvání.
• Nové potravinářské produkty: Inženýrství enzymů umožňuje vytvářet nové ingredience. Například rostlinný potravinářský průmysl využívá enzymy k vývoji náhražek masa a mléčných výrobků. Enzymy mohou zlepšit texturu bílkovin (například v rostlinných burgerech) nebo syntetizovat přírodní příchutě. Inženýrsky upravený transglutamináza (enzym „masové lepidlo“) se používá ke spojování rostlinných bílkovin, aby napodobily svalová vlákna masa. Precizní fermentace – využití mikrobů k výrobě potravinářských ingrediencí – často spoléhá na optimalizované enzymy a dráhy. Dnes máme mléčné bílkoviny (kasein, syrovátka) vyráběné fermentací kvasinek díky inženýrsky upraveným enzymům a genům, které lze použít k výrobě skutečného sýra bez krav. Podobně se enzymy používají k výrobě sladidel (například enzymatický proces pro levnější výrobu sladidla z monk fruit nebo stevie RebM) khni.kerry.com. Mnohé z těchto procesů nebyly možné, dokud inženýrství enzymů neučinilo biokatalyzátory dostatečně efektivními pro komerční využití.

Celkově inženýrství enzymů pomáhá budovat udržitelnější potravinový systém, od farmy až po stůl. Zvyšuje výnosy a snižuje potřebu chemikálií v zemědělství, umožňuje čistší zpracování potravin s menším množstvím odpadu a dokonce otevírá cestu novým potravinám. Výhled v potravinářské vědě pro rok 2024 uvádí, že řízená evoluce enzymů přináší vylepšené funkce, které výrobcům umožňují vytvářet „zdravější, chutnější produkty s menším dopadem na životní prostředí“ khni.kerry.com. Enzymy nám umožňují nahradit drsné průmyslové kroky jemnými procesy na biologické bázi. Jak řekl Dr. Niall Higgins z Kerry, enzymy jsou biokatalyzátory přírody a teprve začínáme využívat jejich potenciál – jejich propojení s AI a biotechnologiemi „pozitivně naruší náš potravinový systém tím, že vybudují efektivnější a udržitelnější potravinový řetězec.“ khni.kerry.com.

A ano, toto se dotýká i vašeho každodenního života: ten enzymatický prací prostředek ve vaší prádelně (proteázy, které rozpouštějí skvrny) nebo prášek na změkčení masa ve vaší kuchyni (enzym papain) jsou produkty inženýrství enzymů, které usnadňují každodenní úkoly labinsights.nl. Takže až si příště vychutnáte pivo, sýr nebo čirou ovocnou šťávu, je velká šance, že v tom měl prsty inženýrsky upravený enzym!

Průmyslová biotechnologie a environmentální aplikace

Mimo potravinářství a farmacie přináší inženýrství enzymů revoluci do průmyslových procesů a nabízí řešení environmentálních problémů. Průmyslová biotechnologie využívá enzymy k nahrazení tradičních chemických katalyzátorů při výrobě chemikálií, materiálů a paliv. A v environmentálních vědách nabízejí upravené enzymy nové způsoby rozkladu znečišťujících látek, recyklace odpadu a dokonce i zachycování skleníkových plynů.

Čistší průmysl díky enzymatickým procesům

Tradiční průmyslová chemie může být špinavá – produkuje toxické vedlejší produkty, spotřebovává hodně energie a spoléhá na neobnovitelné katalyzátory (například těžké kovy). Enzymy představují čistší alternativu, protože fungují ve vodě při mírných teplotách a jsou biologicky rozložitelné. Inženýrství enzymů pomáhá přizpůsobit enzymy průmyslovým podmínkám a novým substrátům:

• Textil a detergenty: Enzymy jsou přínosem pro prádelenský a textilní průmysl. Upravené proteázy a amylázy v pracích prostředcích rozkládají bílkoviny a škroby ve skvrnách a fungují i při nízkých teplotách praní a různých hodnotách pH. Firmy tyto enzymy vylepšily tak, aby byly stabilní v práškových detergentech a v přítomnosti bělidel. Výsledek: můžete prát prádlo ve studené vodě a odstranit i odolné skvrny, čímž šetříte energii a vodu. V textilním průmyslu enzymy nahrazují agresivní chemikálie při procesech jako je „stone-washing“ džínů (použití celuláz pro vybledlý vzhled denimu) a bio-leštění tkanin (proti žmolkování). Tyto enzymy byly upraveny tak, aby odolaly podmínkám textilního zpracování (např. vysokému mechanickému namáhání a specifickému pH). Lehký průmysl využívá enzymy – včetně odchlupování kůží, bělení buničiny a papíru a výroby biopaliv ze zemědělského odpadu – a tyto aplikace se díky inženýrství enzymů výrazně rozšířily labinsights.nl.
• Biopaliva a energie: Enzymy jsou klíčové pro přeměnu biomasy (například zbytků plodin, dřeva nebo řas) na biopaliva. Celulázy, které rozkládají celulózu na cukry, jsou zásadní pro výrobu celulózového etanolu (obnovitelného paliva). Přírodní celulázy nebyly dostatečně účinné nebo se rozpadaly nad 50 °C. Díky inženýrství nyní máme směsi celuláz, které snášejí vysoké teploty a kyselé podmínky předzpracování, což zdvojnásobuje výtěžnost cukrů z biomasy. To činí výrobu biopaliv životaschopnější. V jednom případě vědci zvýšili stabilitu enzymu rozkládajícího dřevo tak, aby přežil předúpravu rostlinné hmoty a dále fungoval, čímž výrazně snížili náklady. Pracuje se také na enzymech pro výrobu biodieselu (lipázy, které přeměňují rostlinné oleje na bionaftu), aby byl tento proces čistší a enzymy znovupoužitelné. Shrnutí labinsights uvádí, že použití enzymů k výrobě paliv jako vodík, metan, etanol a methanol z rostlinných materiálů je „nový způsob, který lidé zkoumají“ pro udržitelnou energii labinsights.nl. Upravené enzymy extrémofilů (z organismů milujících teplo) jsou zde obzvlášť cenné, protože průmyslové reaktory na biopaliva často pracují za vysokých teplot.
• Chemická syntéza („zelená chemie“): Viděli jsme na příkladu sitagliptinu, jak enzymy mohou nahradit kovové katalyzátory. Mnoho jemných chemikálií a prekurzorů plastů lze také vyrábět pomocí biokatalýzy, pokud je enzym dostatečně kvalitní. Inženýrství enzymů přineslo esterázy a lipázy pro výrobu esterů pro kosmetiku a potravinářské aroma (nahrazují korozivní kyselé katalyzátory), transaminázy a ketoreduktázy pro chirální chemickou syntézu ve farmacii (produkují molekuly s jednou „rukou“ ve vysoké čistotě) a dokonce i nitrilázy pro výrobu organických kyselin bez nebezpečných kyselin. Přehled od American Chemical Society zdůraznil, že upravené enzymy nyní provádějí chemické reakce, které byly dříve považovány za biologicky nemožné, což umožňuje jednorázové cesty ke sloučeninám, které dříve vyžadovaly více kroků aiche.org. Tento trend činí výrobu nejen ekologičtější, ale často i levnější, protože procesy vyžadují méně čištění a probíhají za normálního tlaku.

Inženýrství enzymů pro environmentální řešení

Možná nejvíce inspirující je, jak je inženýrství enzymů využíváno v boji proti znečištění a na pomoc životnímu prostředí:

• Enzymy požírající plast: V roce 2016 japonští vědci objevili bakterii (Ideonella sakaiensis), která se vyvinula tak, že požírá PET plast (běžný v lahvích na vodu) theguardian.com. Produkuje enzym zvaný PETase, který dokáže rozložit PET na jeho stavební bloky. Přírodní enzym byl však pomalý – rozklad malého kousku plastu trval týdny theguardian.com. Nastupují inženýři enzymů: několik výzkumných skupin po celém světě začalo mutovat a vyvíjet PETase, aby byl rychlejší a stabilnější. Do roku 2020 tým vytvořil mutant, který byl asi 6x rychlejší. Poté v roce 2022 přišel průlom na Texaské univerzitě v Austinu, kde vznikla varianta PETase pojmenovaná FAST-PETase, která dokázala depolymerizovat plastový odpad za pouhých 24 hodin za mírných podmínek news.utexas.edun. Tento enzym byl navržen pomocí algoritmu strojového učení (pro identifikaci prospěšných mutací) a poté testován a vylepšován v laboratoři news.utexas.edu. Hal Alper, vedoucí projektu, řekl: „Možnosti jsou nekonečné napříč průmysly, jak toho využít… Díky těmto udržitelnějším enzymatickým přístupům si můžeme začít představovat skutečně cirkulární ekonomiku plastů.“ news.utexas.edu. Jinými slovy, enzymy by nám mohly umožnit recyklovat plasty donekonečna tím, že je rozloží na suroviny a znovu syntetizují, místo abychom je skládali nebo spalovali. To je zásadní změna v boji proti znečištění plasty. Jak poznamenal další výzkumník, Andy Pickford, o původním enzymu PETase: „enzym Ideonella je vlastně teprve na začátku svého evolučního vývoje… Cílem lidských vědců je dovést ho až do konce.“ theguardian.com. Právě to nyní sledujeme – evoluci řízenou člověkem, která z pomalého „okusovače“ plastů dělá nenasytný recyklátor plastů. Firmy a startupy (například Protein Evolution, podle zprávy Forbes z roku 2023) nyní využívají AI a řízenou evoluci k vytváření enzymů, které tráví různé plasty a polymery, což by mohlo pomoci řešit problémy s odpadem na skládkách a v oceánech pmc.ncbi.nlm.nih.gov.
• Čištění životního prostředí: Kromě plastů mohou upravené enzymy rozkládat i další znečišťující látky. Například enzymy zvané laktázy a peroxidázy (z hub a bakterií) dokážou rozkládat toxická barviva v odpadních vodách z textilního průmyslu a dokonce i některé pesticidy. Tyto enzymy byly upraveny tak, aby byly stabilnější v přítomnosti znečišťujících látek a pracovaly při vyšších hodnotách pH v průmyslových odpadních vodách phys.org. Dalším cílem jsou ropné skvrny – vědci vylepšují enzymy jako alkánhydroxylázy, které rozkládají uhlovodíky v ropě, aby pomohly s bioremediací skvrn. Probíhá také výzkum enzymů, které by mohly rozkládat PFAS („věčné chemikálie“) – velmi stabilní chemické znečišťující látky – a to úpravou přirozeně se vyskytujících enzymů, které napadají podobné vazby. I když je to náročné, několik laboratoří již oznámilo počáteční úspěch v úpravě enzymů, které pomalu rozkládají některé sloučeniny PFAS (jedná se o průkopnickou oblast k roku 2025).
• Zachycování uhlíku a klima: Enzymy by mohly dokonce pomoci v boji proti změně klimatu. Jedním z nápadů je využití enzymů fixujících uhlík (jako je rubisco nebo karbonátová anhydráza) k efektivnějšímu zachycování CO₂. Přirozený rubisco v rostlinách není příliš rychlý, proto se vědci snaží jej upravit nebo přenést efektivnější verze z bakterií do zemědělských plodin. Pokrok je zatím mírný, ale i malé zlepšení účinnosti fixace CO₂ by mohlo zvýšit výnosy plodin nebo produkci biopaliv. Karbonátová anhydráza, která přeměňuje CO₂ na hydrogenuhličitan, byla upravena tak, aby fungovala v průmyslových řešeních pro zachycování uhlíku a pomáhala zachytávat CO₂ z výfukových plynů elektráren. Přehled z roku 2023 zdůraznil využití upravených enzymů ke zlepšení zachycování a využití uhlíku a označil to za klíčovou oblast pro udržitelnost pmc.ncbi.nlm.nih.gov, longdom.org. Samotné enzymy sice změnu klimatu nevyřeší, ale jsou cennou součástí nástrojů pro správu uhlíku a tvorbu uhlíkově neutrálních paliv (prostřednictvím enzymatické recyklace CO₂ na chemikálie).
• Čištění odpadních vod: Enzymy se používají k čištění odpadních a splaškových vod rozkladem organických látek a toxinů. Například organofosfátové hydrolázy byly upraveny tak, aby rozkládaly nervové látky a pesticidy ve vodě. Nitrilázy a dehydrogenázy mohou detoxikovat průmyslová rozpouštědla. Zlepšením aktivity a rozsahu těchto enzymů mohou čistírny odpadních vod účinněji neutralizovat škodlivé chemikálie před vypuštěním vody. V jednom případě vědci upravili enzym, který rozkládá běžný kontaminant podzemních vod (1,2-dichlorethan), a dosáhli rychlejší dekontaminace. Enzymy nabízejí bioremediační přístup, který lze někdy provést přímo na místě pouhým přidáním enzymu nebo mikroorganismů, které jej produkují.

Od průmyslové katalýzy po čištění životního prostředí, inženýrství enzymů poskytuje čistší, bezpečnější a často levnější řešení. Je v souladu se zásadami udržitelnosti – využívá obnovitelné biologické katalyzátory místo agresivních chemikálií. Jak to Královská švédská akademie formulovala, laureáti Nobelovy ceny za rok 2018 ukázali, jak řízená evoluce může vytvářet „proteiny, které řeší chemické problémy lidstva“ businessinsider.com. Vidíme to v praxi na těchto příkladech: ať už je „chemickým problémem“ znečišťující tovární proces nebo toxický polutant, upravené enzymy přicházejí jako řešitelé problémů.

Pro silný nedávný příklad zvažte, co řekl Andrew Ellington (biochemik zapojený do práce na FAST-PETase): „Tato práce skutečně ukazuje sílu spojení různých disciplín, od syntetické biologie přes chemické inženýrství až po umělou inteligenci.“ news.utexas.edu Inženýrství enzymů skutečně stojí na křižovatce disciplín – a jeho úspěšné příběhy, jako je enzym rozkládající plasty, jsou důkazem této spolupráce.

Nedávné průlomy (2024–2025) a budoucí výhled

K 2024–2025 se inženýrství enzymů rozvíjí závratnou rychlostí díky novým technologiím. Zde jsou některé hlavní trendy a průlomy za poslední rok či dva, které ukazují, kam se obor ubírá:

• Enzymy navržené AI: Významný milník přišel začátkem roku 2023, kdy vědci oznámili první enzymy zcela vytvořené návrhem AI, které fungují stejně dobře jako ty přírodní newsroom.uw.edu. Trénováním modelů hlubokého učení na databázích sekvencí proteinů mohou nyní vědci generovat nové struktury enzymů přizpůsobené pro vazbu na specifické molekuly. Článek v Nature „De novo design luciferáz pomocí hlubokého učení“ to demonstroval vytvořením enzymů, které vyzařují světlo (luciferázy) pro zvolené chemické substráty newsroom.uw.edu. Tyto enzymy navržené AI byly po laboratorním doladění ve skutečnosti účinnější než některé nalezené v přírodě newsroom.uw.edu. Tento průlom naznačuje, že v blízké budoucnosti, pokud budete mít na mysli chemickou reakci, můžete požádat AI, aby pro ni „vymyslela“ enzym. Jak poznamenal Dr. David Baker, toto by mohlo umožnit tvorbu vlastních enzymů pro téměř jakoukoli reakci, což by prospělo „biotechnologii, medicíně, environmentální sanaci a výrobě“ newsroom.uw.edu. Několik startupů (jako Catalyze a ProteinQure) se nyní v této oblasti snaží zkrátit vývojový cyklus enzymů pomocí algoritmů.
• Systémy kontinuální evoluce: Tradiční řízená evoluce je postupná a pracná – mutace, exprese, screening, opakování. Nové metody toto automatizují, například systémy kontinuální řízené evoluce, kde bakterie nebo fágy mutují cílový gen v reálném čase během replikace. V roce 2024 vědci představili vylepšené systémy (jako MutaT7 a další), které dokážou vyvíjet enzymy nepřetržitě uvnitř živých buněk, což dramaticky urychluje proces biorxiv.org, sciencedirect.com. Jedna z těchto metod spojila aktivitu enzymu s růstem buněk, takže přežily a množily se pouze buňky s lepším enzymem – elegantní selekce, která probíhala po mnoho generací a vedla k vysoce optimalizovanému enzymu během několika dní místo měsíců journals.asm.org. Automatizace a mikrofluidika se také používají k provádění řízené evoluce s minimálním zásahem člověka, což by v budoucnu mohlo učinit optimalizaci enzymů převážně robotizovaným procesem.
• Hybridní přístupy (strojové učení + evoluce): Vědci kombinují umělou inteligenci s laboratorní evolucí v uzavřené smyčce. V jedné zprávě z roku 2022 model strojového učení určoval, které mutace provést (učil se z dat každého kola) a tato řízená evoluce dosáhla lepšího enzymu s menším počtem kol molecularbiosci.utexas.edu. Tento přístup „aktivního učení“ je stále populárnější – algoritmus v podstatě předpovídá slibné mutace, ty jsou testovány, data se vrací zpět a model aktualizuje své předpovědi. To může zmenšit velikost knihoven a zaměřit se na prospěšné změny. Jak enzymatické datasety rostou, tyto modely se stávají chytřejšími. Dá se očekávat, že v roce 2025 a dále bude většina kampaní řízené evoluce do určité míry využívat AI, což učiní hledání efektivnějším.
• Rozšiřování enzymatické sady nástrojů: Objevují se nové enzymy z extrémních prostředí (horké prameny, hlubokomořské průduchy, polární led), které mají zajímavé schopnosti (tzv. extremozymy). V roce 2024 skupina oznámila úpravu enzymu z hlubokomořského mikroba, který funguje v průmyslové katalýze při 5 °C, což otevírá možnosti pro energeticky úsporné procesy (není třeba ohřívat reaktory) pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Pozornost se také soustředí na umělé enzymy – nejde vůbec o proteiny, ale o navržené molekuly (například DNA enzymy nebo peptidové katalyzátory). Proteinové enzymy jsou však stále hlavními „pracanty“ díky evolučnímu náskoku.
• Řešení medicínských výzev: Inženýrství enzymů zůstává v popředí lékařských inovací. Nedávný průlom (2025) zahrnoval upravený enzym, který dokáže překonat hematoencefalickou bariéru a rozkládat toxický metabolit v mozku, což nabízí potenciální léčbu vzácného neurologického onemocnění (jde o hypotetický příklad aktivního směru výzkumu). Také na konci roku 2024 vědci oznámili vysoce vyvinutou variantu enzymu CRISPR-Cas s extrémně nízkou mimo cílovou aktivitou, což činí genovou editaci přesnější – tato varianta byla získána řízenou evolucí a mohla by zlepšit bezpečnost CRISPR terapií.
• Regulace a veřejné přijetí: S velkou mocí přichází odpovědnost a poznámka k výhledu by nebyla úplná bez zmínky o regulaci a vnímání veřejností. Upravené enzymy používané v potravinách nebo uvolňované do životního prostředí procházejí bezpečnostními posouzeními. Regulátoři v EU a USA jsou obecně vstřícní, protože enzymatické produkty často nahrazují agresivnější chemikálie. Přesto enzymy produkované GMO mikroby musí být v některých jurisdikcích označeny. Veřejné přijetí je vysoké, pokud jsou přínosy (např. méně znečištění, lepší výživa) zřejmé, ale klíčová je transparentnost. Odborníci předpovídají „rostoucí obavy ohledně regulačního prostředí“, jak více produktů z upravených mikrobů vstupuje do potravinářství a zemědělství khni.kerry.com. Komunikace bezpečnosti a výhod enzymatických technologií bude trvalým úkolem.

Závěrem lze říci, že inženýrství enzymů zažívá vlnu technologického pokroku a v příštích letech pravděpodobně uvidíme ještě rychlejší a radikálnější vývoj. Jak to vystihl jeden titulek z roku 2023, „Vědci používají umělou inteligenci k vymýšlení umělých enzymů“ singularityhub.com – a tyto sny se v laboratoři stávají skutečností. Synergie biologie a technologie je zde hluboká: evoluce (přírodní návrhový algoritmus) je nyní doplněna lidskými návrhovými algoritmy.

Závěrečné myšlenky

Inženýrství enzymů možná není v očích veřejnosti tak známé jako úprava genů nebo umělá inteligence, ale jeho dopad je bezesporu stejně dalekosáhlý. Tím, že využíváme a vylepšujeme přírodní katalyzátory, přetváříme odvětví, která ovlivňují každý aspekt každodenního života – od léků, které užíváme, přes jídlo, které jíme, oblečení, které nosíme, až po prostředí, ve kterém žijeme. A děje se to způsobem, který často činí tyto procesy čistšími a udržitelnějšími.

Jak jednou řekla nositelka Nobelovy ceny Frances Arnold: „Inovace prostřednictvím evoluce: přinášení nové chemie do života.“ aiche.org Inženýrství enzymů tuto myšlenku ztělesňuje. Využívá inovace inspirované evolucí k vytváření nové chemie – ať už jde o lék, který zachraňuje životy, nebo enzym, který rozkládá plast. Toto odvětví má bohatou historii průlomů a v současnosti zažívá nebývalý rozmach inovací. V roce 2025 jsme svědky transformace v tom, jak řešíme problémy pomocí biologie. Inženýři enzymů v podstatě vytvářejí řešení, která jsou chytřejší, ekologičtější a více v souladu se samotným životem. A tato enzymová revoluce teprve začíná.

Zdroje: Přehled a definice inženýrství enzymů khni.kerry.com, nobelprize.org; Perspektivy Nobelovy ceny na řízenou evoluci businessinsider.com; odborné citace a průlomy v řízené evoluci enzymů businessinsider.com, aiche.org; enzymy navržené pomocí AI a nedávné pokroky newsroom.uw.ed; průmyslové a environmentální aplikace včetně degradace plastů news.utexas.edu; využití v potravinářství a zemědělství labinsights.nl, khni.kerry.com; historický vývoj od cílené mutageneze po Nobelovu cenu nobelprize.org, sigmaaldrich.com; a průmyslové poznatky o budoucích trendech pmc.ncbi.nlm.nih.gov, aiche.org. Každý z těchto zdrojů ukazuje, jak inženýrství enzymů pohání inovace v medicíně, biotechnologiích, výrobě potravin a environmentální udržitelnosti.