Enzimska revolucija: Kako inženjering prirodnih katalizatora mijenja medicinu, hranu i planet

• Globalno tržište industrijskih enzima iznosilo je oko 9 milijardi dolara 2019. godine, a predviđa se da će doseći 13,8 milijardi dolara do 2027. godine.
• Usmjerena mutageneza, koju je 1970-ih izumio Michael Smith, omogućuje precizne promjene pojedinačnih aminokiselina u enzimima i donijela mu je Nobelovu nagradu za kemiju 1993. godine.
• Godine 1993. Frances Arnold je demonstrirala usmjerenu evoluciju razvijajući enzim putem nasumičnih mutacija i selekcije, što je kasnije prepoznato Nobelovom nagradom za kemiju 2018. godine.
• Merck i Codexis razvili su evoluirani enzim za proizvodnju sitagliptina oko 2007.–2010., postigavši 99,95% selektivnosti, 13% veći prinos i 19% manje kemijskog otpada.
• Nagrada za zeleniju kemiju 2010. godine odala je priznanje radu na usmjerenoj evoluciji koji je omogućio ekološki prihvatljiviju farmaceutsku proizvodnju, uključujući Merck/Codexis enzim za sitagliptin.
• Godine 2018. Frances Arnold, Gregory Winter i George Smith dobili su Nobelovu nagradu za kemiju za metode usmjerene evolucije i prikaza pomoću faga koje omogućuju razvoj lijekova, biogoriva i katalizatora.
• U časopisu Nature 2023. godine objavljen je rad De novo design of luciferases using deep learning koji prikazuje enzime dizajnirane umjetnom inteligencijom koji emitiraju svjetlost i, nakon laboratorijskog poboljšanja, mogu nadmašiti neke prirodne enzime.
• Tijekom 2022.–2023. istraživači su koristili duboko učenje za dizajniranje novih enzima od nule, uključujući luciferaze, što označava pomak prema dizajnu enzima vođenom umjetnom inteligencijom.
• Godine 2022. istraživači s UT Austina razvili su FAST-PETase, varijantu PETaze koja može depolimerizirati plastični otpad za samo 24 sata pod umjerenim uvjetima, dizajniranu pomoću algoritma strojnog učenja.
• Krajem 2024. znanstvenici su izvijestili o visoko evoluiranoj varijanti CRISPR-Cas enzima s izuzetno niskom izvanciljanom aktivnošću, čime je poboljšana sigurnost uređivanja gena.

Zamislite da možemo reprogramirati prirodne mikroskopske strojeve kako bismo riješili ljudske probleme. Inženjering enzima je znanost o redizajniranju enzima – proteina koji kataliziraju kemijske procese života – kako bi imali nove ili poboljšane funkcije. Jednostavno rečeno, to znači mijenjanje genetskog koda enzima tako da enzim radi bolje ili drugačije. Zašto se truditi? Zato što su enzimi izvanredni katalizatori: ubrzavaju kemijske reakcije pod blagim uvjetima, za razliku od mnogih industrijskih procesa koji zahtijevaju visoke temperature ili toksične kemikalije newsroom.uw.edu. Kako objašnjava biokemičar David Baker, “Živa bića su izvanredni kemičari… koriste enzime za razgradnju ili izgradnju svega što im treba pod blagim uvjetima. Novi enzimi mogli bi omogućiti obnovljive kemikalije i biogoriva” newsroom.uw.edu. Drugim riječima, ako možemo inženjerski prilagoditi enzime, dobivamo ekološki prihvatljive alate za revoluciju u proizvodnji, energetici, medicini i još mnogo toga.

Važnost inženjeringa enzima ogleda se u njegovom naglom rastu. Globalno tržište industrijskih enzima iznosilo je oko 9 milijardi dolara 2019. godine, a predviđa se da će doseći 13,8 milijardi dolara do 2027. pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Ove “čudesne molekule” već se koriste u svemu, od deterdženata za rublje do prerade hrane, a potražnja raste. Inženjering enzima omogućuje nam da enzime poguramo izvan njihovih prirodnih granica – čineći ih učinkovitijima, robusnijima ili prilagođenima za obavljanje novih zadataka. To ima ogromne implikacije: od proizvodnje lijekova i ekološki prihvatljivijih plastika do čišćenja zagađenja. Kako je istaknula Švedska kraljevska akademija prilikom dodjele Nobelove nagrade za kemiju 2018., znanstvenici su “koristili iste principe – genetske promjene i selekciju – za razvoj proteina koji rješavaju kemijske probleme čovječanstva” businessinsider.com. Ukratko, koristeći evoluciju i bioinženjering, inženjeri enzima transformiraju čitave industrije i rješavaju globalne izazove.

U nastavku ćemo objasniti što je inženjering enzima, kako funkcionira, njegovu povijest i glavne tehnike, te brojne načine na koje transformira područja poput medicine, poljoprivrede, prehrane, biotehnologije i znanosti o okolišu. Također ćemo istaknuti nedavne proboje (2024.–2025.) i citate stručnjaka koji predvode ovu revoluciju.

Što je inženjering enzima?

U svojoj srži, inženjering enzima (grana inženjeringa proteina) znači modificiranje strukture enzima kako bi se promijenila njegova funkcija ili učinkovitost khni.kerry.com. Enzimi su lanci aminokiselina savijeni u složene 3D oblike. Njihov oblik i kemija određuju koju reakciju kataliziraju – na primjer, razgradnju škroba u šećer ili kopiranje DNK. Inženjeri enzima mijenjaju slijed aminokiselina enzima (promjenom DNK koda) kako bi enzim postao prikladniji za određeni zadatak ili čak katalizirao novu reakciju. Time se mogu poboljšati svojstva poput aktivnosti (brzina), specifičnosti (odabir jedne mete u odnosu na druge), stabilnosti (rad u teškim uvjetima) ili sve navedeno khni.kerry.com.

Kako znanstvenici modificiraju enzime? Postoje dvije glavne strategije:

• Racionalni dizajn (mutageneza usmjerenim mjestom): Ako znate koji dio enzima utječe na njegovu funkciju, možete namjerno promijeniti određene aminokiseline. Ova tehnika, koju je 1980-ih pionirski razvio Michael Smith (Nobelova nagrada 1993.), naziva se mutageneza usmjerenim mjestom – u suštini, ciljano genetsko uređivanje gena enzima nobelprize.org. To je poput izvođenja operacije na DNK enzima: istraživači identificiraju “poziciju” na enzimu koju žele prilagoditi, mutiraju to slovo DNK (kodon) i tako zamjenjuju jednu aminokiselinu drugom u enzimu. Ova metoda bila je revolucionarna jer je omogućila “preprogramiranje genetskog koda” za izgradnju proteina s novim svojstvima nobelprize.org. U početku su je znanstvenici koristili za proučavanje strukture i funkcije enzima – npr. kako bi enzim učinili stabilnijim da izdrži industrijske procese ili modificirali antitijelo da cilja stanice raka nobelprize.org. Međutim, racionalni dizajn zahtijeva značajno znanje: morate predvidjeti koje će promjene imati koristan učinak, što je teško s obzirom na složenost enzima. Kako je jedan inženjer enzima duhovito rekao, čak je i danas “predviđanje utjecaja mutacija… gotovo nemoguće” zbog toga koliko su dijelovi enzima međusobno povezani aiche.org. Racionalni dizajn često je uključivao mnogo obrazovanog nagađanja.
• Usmjerena evolucija: Kada nagađanje zakaže, zašto ne prepustiti posao algoritmu prirode? Usmjerena evolucija je tehnika koja oponaša prirodnu selekciju u laboratoriju kako bi se razvili bolji enzimi. Umjesto da naprave jednu ciljanu promjenu, znanstvenici rade nasumične mutacije na genu enzima i stvaraju biblioteku tisuća varijanti. Zatim provjeravaju ili odabiru varijante kako bi pronašli one s poboljšanim učinkom za određeni zadatak sigmaaldrich.com, businessinsider.com. Ti pobjednici mogu se ponovno mutirati, ponavljajući ciklus iterativno, baš kao što evolucija stvara bolje prilagođene organizme. Ovaj pristup je pionirski razvila 1990-ih Frances Arnold, koja je za to dobila Nobelovu nagradu za kemiju 2018. godine. Frances Arnold je prepoznala da je “način na koji je većina ljudi pristupala inženjeringu proteina bio osuđen na neuspjeh”, pa je pokušala drugačiji put – “kopirajući prirodni proces dizajna, odnosno evoluciju” businessinsider.com. Puštajući mnoge nasumične mutante da se natječu u eksperimentu preživljavanja najsposobnijih, istraživači mogu otkriti poboljšanja enzima na koja čovjek možda nikada ne bi pomislio. Arnoldina mantra za ovu metodu je poznata “Dobiješ ono što testiraš” aiche.org – što znači da je ključ u osmišljavanju dobrog testa za pronalazak željene osobine. Usmjerena evolucija je “dramatično povećala brzinu promjena” mogućih kod enzima, sažimajući ono što bi u prirodi trajalo milijunima godina u tjedne ili mjesece u laboratoriju sigmaaldrich.com. Bila je iznimno uspješna: kako je istaknula Nobelova komisija, koristeći usmjerenu evoluciju znanstvenici su razvili enzime koji se koriste u “svemu, od ekološki prihvatljivih deterdženata i biogoriva do lijekova protiv raka.” businessinsider.com

U praksi, inženjeri enzima često kombiniraju ove pristupe. Mogu koristiti site-directed mutagenesis za nekoliko promišljenih izmjena (racionalni pristup), a zatim primijeniti runde directed evolution kako bi ih iznenadili daljnjim poboljšanjima. Suvremene metode također integriraju computational tools: bioinformatička analiza i computer-aided design mogu predložiti koje mutacije isprobati ili pomoći u modeliranju struktura enzima Zamislite da možemo reprogramirati prirodne mikroskopske strojeve kako bismo riješili ljudske probleme. Inženjering enzima je znanost o redizajniranju enzima – proteina koji kataliziraju kemiju života – kako bi imali nove ili poboljšane funkcije. Jednostavno rečeno, to znači podešavanje genetskog koda enzima tako da enzim radi bolje ili drugačije. Zašto se truditi? Jer su enzimi izvanredni katalizatori: ubrzavaju kemijske reakcije pod blagim uvjetima, za razliku od mnogih industrijskih procesa koji zahtijevaju visoke temperature ili toksične kemikalije newsroom.uw.edu. Kao što objašnjava biokemičar David Baker, “Živi organizmi su izvanredni kemičari… koriste enzime za razgradnju ili izgradnju svega što im treba pod blagim uvjetima. Novi enzimi mogli bi omogućiti obnovljive kemikalije i biogoriva” newsroom.uw.edu. Drugim riječima, ako možemo inženjerski prilagoditi enzime, dobivamo ekološki prihvatljive alate za revoluciju u proizvodnji, energiji, medicini i još mnogo toga.

Važnost inženjeringa enzima ogleda se u njegovom brzom rastu. Globalno tržište industrijskih enzima iznosilo je oko 9 milijardi dolara 2019. godine, a predviđa se da će doseći 13,8 milijardi dolara do 2027. pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Ove “čudesne molekule” već se koriste u svemu, od deterdženata za rublje do prerade hrane, a potražnja raste. Inženjering enzima omogućuje nam da enzime gurnemo izvan njihovih prirodnih granica – čineći ih učinkovitijima, robusnijima ili prilagođenima za nove zadatke. To ima ogroman značaj: od proizvodnje lijekova i ekološki prihvatljivije plastike do čišćenja onečišćenja. Kao što je istaknula Švedska kraljevska akademija prilikom dodjele Nobelove nagrade za kemiju 2018., znanstvenici su “koristili iste principe – genetske promjene i selekciju – za razvoj proteina koji rješavaju kemijske probleme čovječanstva” businessinsider.com. Ukratko, koristeći evoluciju i bioinženjering, inženjeri enzima transformiraju čitave industrije i rješavaju globalne izazove.

U nastavku ćemo objasniti što je inženjering enzima, kako funkcionira, njegovu povijest i glavne tehnike te brojne načine na koje transformira područja poput medicine, poljoprivrede, prehrane, biotehnologije i znanosti o okolišu. Također ćemo istaknuti nedavne proboje (2024.–2025.) i citate stručnjaka koji predvode ovu revoluciju.

Što je inženjering enzima?

U svojoj srži, inženjering enzima (grana inženjeringa proteina) znači modificiranje strukture enzima kako bi se promijenila njegova funkcija ili učinkovitost khni.kerry.com. Enzimi su lanci aminokiselina savijeni u složene 3D oblike. Njihov oblik i kemija određuju koju reakciju kataliziraju – na primjer, razgradnju škroba u šećer ili kopiranje DNK. Inženjeri enzima mijenjaju slijed aminokiselina enzima (promjenom DNK koda) tako da enzim postane prikladniji za određeni zadatak ili čak katalizira novu reakciju. Ovo može poboljšati svojstva poput aktivnosti (brzina), specifičnosti (odabir jedne mete u odnosu na druge), stabilnosti (rad u teškim uvjetima) ili sve navedeno khni.kerry.com.

Kako znanstvenici modificiraju enzime? Postoje dvije glavne strategije:

• Racionalni dizajn (mutageneza usmjerena na mjesto): Ako znate koji dio enzima utječe na njegovu funkciju, možete namjerno promijeniti određene aminokiseline. Ova tehnika, koju je 1980-ih pionirski razvio Michael Smith (Nobelova nagrada 1993.), naziva se mutageneza usmjerena na mjesto – u suštini, ciljana genetska izmjena gena enzima nobelprize.org, nobelprize.org. To je poput izvođenja operacije na DNK enzima: istraživači identificiraju “poziciju” na enzimu koju žele prilagoditi, mutiraju to slovo DNK (kodon) i tako zamjenjuju jednu aminokiselinu drugom u enzimu. Ova metoda bila je revolucionarna jer je omogućila “reprogramiranje genetskog koda” za izgradnju proteina s novim svojstvima nobelprize.org. U početku su je znanstvenici koristili za proučavanje strukture i funkcije enzima – npr. kako bi enzim bio stabilniji i mogao izdržati industrijske procese, ili za modifikaciju antitijela da cilja stanice raka nobelprize.org. Međutim, racionalni dizajn zahtijeva značajno znanje: potrebno je predvidjeti koje će promjene imati koristan učinak, što je teško s obzirom na složenost enzima. Kako je jedan inženjer enzima rekao, čak je i danas “predviđanje utjecaja mutacija… gotovo nemoguće” zbog toga koliko su dijelovi enzima međusobno povezani aiche.org. Racionalni dizajn često je uključivao mnogo obrazovanog nagađanja.
• Usmjerena evolucija: Kada nagađanje zakaže, zašto ne prepustiti posao algoritmu prirode? Usmjerena evolucija je tehnika koja oponaša prirodnu selekciju u laboratoriju kako bi se razvili bolji enzimi. Umjesto da naprave jednu ciljanu promjenu, znanstvenici rade nasumične mutacije na genu enzima i stvaraju biblioteku tisuća varijanti. Zatim provjeravaju ili odabiru varijante kako bi pronašli one s poboljšanim učinkom za određeni zadatak sigmaaldrich.com, businessinsider.com. Ti pobjednici mogu se ponovno mutirati, ponavljajući ciklus iterativno, baš kao što evolucija stvara bolje prilagođene organizme. Ovaj pristup je pionirski razvila 1990-ih Frances Arnold, koja je za to dobila Nobelovu nagradu za kemiju 2018. godine. Frances Arnold je prepoznala da je “način na koji je većina ljudi pristupala inženjeringu proteina bio osuđen na neuspjeh”, pa je pokušala drugačiji put – “kopirajući prirodni proces dizajna, odnosno evoluciju” businessinsider.com. Puštajući mnoge nasumične mutante da se natječu u eksperimentu preživljavanja najsposobnijih, istraživači mogu otkriti poboljšanja enzima na koja čovjek možda nikada ne bi pomislio. Arnoldina mantra za ovu metodu je poznata “Dobiješ ono što testiraš”aiche.org – što znači da je ključ u osmišljavanju dobrog testa za pronalazak željene osobine. Usmjerena evolucija je “dramatično povećala brzinu promjena” mogućih kod enzima, sažimajući ono što bi u prirodi trajalo milijunima godina u tjedne ili mjesece u laboratoriju sigmaaldrich.com. Bila je iznimno uspješna: kako je istaknula Nobelova komisija, koristeći usmjerenu evoluciju znanstvenici su razvili enzime koji se koriste u “svemu, od ekološki prihvatljivih deterdženata i biogoriva do lijekova protiv raka.”businessinsider.com

U praksi, inženjeri enzima često kombiniraju ove pristupe. Mogu koristiti site-directed mutagenesis za nekoliko promišljenih izmjena (racionalni pristup), a zatim primijeniti runde directed evolution koje ih mogu iznenaditi dodatnim poboljšanjima. Suvremene metode također integriraju computational tools: bioinformatičku analizu i computer-aided design koji mogu predložiti koje mutacije pokušati ili pomoći u modeliranju struktura enzima pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Posljednjih godina, napredak u machine learning and AI omogućuje novu strategiju: dizajniranje novih enzima on the computer od nule. Na primjer, 2023. godine istraživači s Institute for Protein Design Sveučilišta Washington koristili su deep learning za izum novih enzima (luciferaza koje emitiraju svjetlost) koji nikada nisu postojali u prirodi newsroom.uw.edu. Jedan od vodećih znanstvenika, Andy Hsien-Wei Yeh, rekao je “We were able to design very efficient enzymes from scratch on the computer… This breakthrough means that custom enzymes for almost any chemical reaction could, in principle, be designed.” newsroom.uw.edu. Takav de novo dizajn enzima bio je daleki san prije deset godina – sada postaje stvarnost, otvarajući vrata eri AI-designed enzymes.

Kratka povijest inženjerstva enzima

Enzime ljudi koriste tisućama godina (čak i nesvjesno) – pomislite na drevno pivarstvo, proizvodnju sira ili fermentaciju kruha, gdje prirodni enzimi u mikrobima obavljaju posao. No, znanstveno razumijevanje enzima započelo je u 19. stoljeću proučavanjem probave i kemije fermentacije pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Do sredine 20. stoljeća znanstvenici su shvatili da su enzimi proteini te su dešifrirali njihove osnovne strukture i način na koji kataliziraju reakcije. To je postavilo theoretical foundation za inženjerstvo enzima pmc.ncbi.nlm.nih.gov: ako razumijemo strukturu enzima, možemo li je prilagoditi svojim potrebama?

Područje je doista procvjetalo u late 20th century zahvaljujući probojima u molekularnoj biologiji. Dva Nobelom nagrađena otkrića iz 1970-ih i 80-ih postavila su temelje:

• Rekombinantna DNA tehnologija (genetsko inženjerstvo): Alati za rezanje, spajanje i kloniranje DNA (koje su pioniri razvili Paul Berg, Herbert Boyer, Stanley Cohen itd.) omogućili su znanstvenicima izolaciju i modifikaciju gena za enzime. Do 1980-ih postalo je moguće proizvoditi recombinant enzymes – na primjer, proizvodnja ljudskog inzulina ili industrijskih enzima u bakterijama ili kvascima, što je enzime učinilo mnogo dostupnijima za eksperimentiranje i upotrebu.
• Usmjerena mutageneza: Izumio ju je Michael Smith 1970-ih, a ova metoda omogućila je namjerne promjene jednog slova u DNK nobelprize.org. Za to je Michael Smith podijelio Nobelovu nagradu za kemiju 1993. godine. Odjednom su biokemičari mogli stvoriti specifičnu mutaciju u enzimu i promatrati učinak, čime se znatno poboljšalo razumijevanje odnosa između strukture i funkcije enzima. U priopćenju za tisak povodom dodjele Nobelove nagrade 1993. navedeno je da “Smithovom metodom moguće je reprogramirati genetski kod… i zamijeniti specifične aminokiseline u proteinima. …mogućnosti konstruiranja proteina s novim svojstvima [temeljno su se promijenile].” nobelprize.org Ovo je bio početak namjernog dizajna proteina. Rani uspjesi uključivali su prilagodbu enzima za izdržavanje viših temperatura ili inženjering antitijela (koja su vezni proteini) za ciljanje tumora nobelprize.org – primitivne oblike prilagođenih proteina za medicinu i industriju.

Međutim, racionalni dizajn u to je vrijeme bio ograničen našim nepotpunim znanjem. Osamdesetih godina prošlog stoljeća mnogi su znanstvenici pokušavali “prečacem evolucije” analizirati strukture enzima i predviđati korisne mutacije, ali su često nailazili na frustracije aiche.org. Pokazalo se da su enzimi vrlo složeni; promjena jednog dijela često je imala nepredvidive učinke na cijelu molekulu. Kako je jedan pregled naveo, istraživači su naučili da “enzime nije tako lako razumjeti” – “veći dio polipeptidnog lanca” oko aktivnog mjesta također je važan za funkciju aiche.org. Do kasnih 1980-ih, samo su skromni pomaci postignuti isključivo racionalnim izmjenama enzima.

Pravi proboj dogodio se početkom 1990-ih s usmjerenom evolucijom. Godine 1993. Frances H. Arnold – frustrirana neuspjelim racionalnim dizajnima – objavila je prvo prikazivanje evolucije enzima putem nasumičnih mutacija i probira radi boljeg učinka. Tijekom 1990-ih i 2000-ih, tehnike usmjerene evolucije doživjele su procvat, potpomognute izumima poput error-prone PCR (za jednostavno uvođenje nasumičnih mutacija) i DNA shuffling (rekombinacija dijelova gena radi miješanja korisnih mutacija) sigmaaldrich.com. Istraživači su također razvili metode visokoprotočnog probira i domišljate selekcije za pretraživanje knjižnica enzima u potrazi za željenim svojstvima. Usmjerena evolucija pokazala se iznimno snažnom za optimizaciju enzimske aktivnosti, specifičnosti, stabilnosti, što god poželite. Nije zahtijevala detaljno prethodno znanje – samo dobar sustav za generiranje raznolikosti i pronalaženje pobjednika. Tijekom sljedeća dva desetljeća, ovaj pristup je revolucionirao inženjering enzima u akademskoj zajednici i industriji. Enzimi su evoluirali da izvode nove reakcije (čak i one nepoznate u prirodi), da funkcioniraju u neprirodnim okruženjima (poput toksičnih otapala ili ekstremnog pH), te da poboljšaju industrijske procese. “Evolucija je jednostavan i iznimno snažan algoritam mutacije i selekcije,” kako je jedan članak naveo – a sada su inženjeri mogli primijeniti taj algoritam po želji aiche.org. Nametanjem selekcije za ono što želimo, zapravo navodimo Prirodu da izmisli rješenja za nas.

Značajno postignuće u stvarnom svijetu bilo je Merckovo razvijanje (otprilike 2007.–2010.) evoluiranog enzima za sintezu lijekova. Merck je, u suradnji s biotehnološkom tvrtkom Codexis, koristio usmjerenu evoluciju za poboljšanje enzima za proizvodnju lijeka za dijabetes sitagliptina. Konačni enzim (nakon nekoliko rundi evolucije) izvodio je ključni kemijski korak s 99,95% selektivnosti i visokim prinosom, zamijenivši katalizator od teških metala i izbacivši više koraka aiche.org. Enzimski proces povećao je ukupni prinos za 13% i smanjio kemijski otpad za 19%, dok je eliminirao potrebu za visokotlačnim vodikovim plinom i toksičnim metalima aiche.org. Ovo je bio prekretnica koja je pokazala da inženjerski enzimi mogu učiniti farmaceutsku proizvodnju ekološki prihvatljivijom i učinkovitijom – i donijela je Arnoldu i suradnicima prestižnu Greener Chemistry nagradu 2010. godine. Od 2018. utjecaj usmjerene evolucije bio je toliko dubok da su Frances Arnold, Gregory Winter i George Smith dobili Nobelovu nagradu za kemiju. Winter i Smith razvili su metode za evoluciju proteina poput antitijela pomoću prikaza na fagu, a Arnold za enzime – zajedno su pokazali da „korištenje snage evolucije” može dovesti do izuma poput novih lijekova, biogoriva i katalizatorabusinessinsider.com.

Ulaskom u 21. stoljeće, inženjering enzima samo se ubrzao. Kasne 2010-e i rane 2020-e donijele su napredak u računalnom dizajnu proteina (korištenje softvera poput Rosette za dizajn enzima za specifične reakcije) i uspon umjetne inteligencije u inženjeringu proteina. Uz ogromne baze podataka o proteinima i strojno učenje, znanstvenici mogu predvidjeti strukture enzima (zahvaljujući probojima poput AlphaFolda) pa čak i generirati nove sekvence enzima s željenim funkcijama newsroom.uw.edu. U 2022.–2023. istraživači su izvijestili o korištenju dubokog učenja za stvaranje novih enzima od nule (posebno novih luciferaza, kao što je gore spomenuto) newsroom.uw.edu. U međuvremenu, metode poput kontinuirane usmjerene evolucije i automatiziranog visokoprotočnog probira čine proces evolucije bržim i manje zahtjevnim za ljudski rad biorxiv.org, sciencedirect.com. Inženjering enzima danas je bogata kombinacija biologije, inženjerstva i podatkovne znanosti – daleko od pokušaja i pogrešaka iz prošlih desetljeća. Kako je navedeno u jednom industrijskom izvješću iz 2024., tek smo “zagrebli površinu” u iskorištavanju enzima – istražen je samo mali dio mogućih enzima, pa je potencijal ogroman khni.kerry.com.

Ključne tehnike u inženjeringu enzima

Inženjeri enzima imaju niz metoda za stvaranje poboljšanih enzima. Evo nekoliko glavnih tehnika i kako funkcioniraju:

• Usmjerena mutageneza: Precizna metoda za promjenu specifičnih aminokiselina u enzimu. Znanstvenici dizajniraju kratak DNA prajmer s željenom mutacijom i koriste ga za kopiranje gena, uvodeći promjenu. To je kao da uređujete jedno slovo u nacrtu. Odlično je za testiranje hipoteza (npr. “hoće li promjena ove glicina u alanin učiniti enzim stabilnijim?”) i za fino podešavanje aktivnih mjesta enzima. Usmjerena mutageneza bila je prva metoda inženjeringa proteina i još se uvijek široko koristi nobelprize.org. Ograničenje je što morate sami odabrati mutaciju – pa uspjeh ovisi o tome koliko je vaša pretpostavka dobra.
• Usmjerena evolucija: Moćna metoda, kako je ranije opisano. Umjesto jedne ciljane promjene, generira se mnoge nasumične mutacije i provodi selekcija za bolji enzim. Ključni koraci uključuju stvaranje biblioteke varijanti (putem error-prone PCR-a, DNA shufflanja srodnih gena ili drugih tehnika mutageneze sigmaaldrich.com) i sustava za selekciju ili screening kako bi se pronašle poboljšane varijante. Na primjer, ako želite brži enzim, možete tražiti kolonije koje brže mijenjaju boju supstrata, ili ako želite enzim koji radi na visokim temperaturama, selekcionirate preživjele nakon zagrijavanja. Usmjerena evolucija može donijeti iznenađujuća poboljšanja – enzimi mogu postići 100× veću aktivnost ili se prilagoditi radu u kipućoj vodi itd. To je metoda pokušaja i pogreške vođena slijepom pretragom evolucije, ali izuzetno učinkovita. Kako je jedan članak sažeo, “Usmjerena evolucija… generira nasumične mutacije u genu od interesa… oponaša prirodnu evoluciju nametanjem stroge selekcije za identifikaciju proteina s optimiziranom funkcionalnošću” sigmaaldrich.com. Ova metoda ne zahtijeva poznavanje strukture enzima, što je velika prednost.
• Visokoprotočni screening i selekcija: Ovo nisu inženjerske metode same po sebi, ali su ključne komponente posebno usmjerene evolucije. Uključuju tehnike za brzo testiranje tisuća varijanti enzima. Na primjer: kolorimetrijski testovi u mikropločama, FACS (fluorescencijski aktivirano sortiranje stanica) za sortiranje stanica s aktivnim enzimima, prikaz na fagu za povezivanje proteina s DNA radi selekcije, ili komplementacija rasta gdje samo poboljšani enzimi omogućuju rast bakterija pod određenim uvjetima sigmaaldrich.com. Što je vaša metoda screeninga bolja (“dobijete ono što tražite” aiche.org), veća je vjerojatnost da ćete pronaći varijantu enzima koja vam treba.
• Imobilizacija i kemijska modifikacija: Ponekad inženjering enzima ne znači samo mijenjanje njegovih aminokiselina. Imobilizacija enzima je tehnika vezanja enzima na čvrste nosače (poput kuglica ili smole), što može poboljšati stabilnost i omogućiti ponovnu upotrebu u industrijskim reaktorima labinsights.nl. Iako se ne mijenja sekvenca enzima, to je inženjerski pristup koji enzime čini praktičnijima (neće se isprati i često bolje podnose uvjete kada su imobilizirani). Kemijske modifikacije, poput vezanja polimera (PEGilacija) ili umrežavanja molekula enzima, također mogu poboljšati svojstva poput stabilnosti ili poluvijeka u lijeku. Ove metode nazivaju se “tehnologije enzima druge generacije” još od 1970-ih labinsights.nl, i nadopunjuju genetske modifikacije.
• Kompjutacijski (in silico) dizajn: Brzo rastući pristup je korištenje računalnih algoritama za dizajn novih enzima ili poboljšanje postojećih. Simuliranjem struktura enzima i fizike njihovih aktivnih mjesta, znanstvenici pokušavaju predvidjeti mutacije koje bi mogle stvoriti željenu aktivnost. Rani pokušaji 2000-ih često nisu bili uspješni, ali područje je napredovalo. Danas programi mogu dizajnirati enzime za određene reakcije (poput Diels-Alderove reakcije u poznatoj studiji iz 2010.) i zatim se ti dizajni proizvode u laboratoriju i testiraju. Posebno, strojno učenje sada pomaže u snalaženju u ogromnom “prostoru pretrage” mogućih varijanti proteina. Godine 2022. tim je razvio model strojnog učenja nazvan MutCompute za usmjeravanje mutacija enzima koji razgrađuje plastiku, uspješno dramatično poboljšavši njegovu učinkovitost molecularbiosci.utexas.edu. I kao što je spomenuto, 2023. su se pojavili prvi enzimi dizajnirani umjetnom inteligencijom koji su doista izvodili novu kemiju newsroom.uw.edu. Kompjutacijski dizajn još se često kombinira sa stvarnom evolucijom/eksperimentima – AI može predložiti kandidate, ali laboratorijska testiranja i dorada (čak i evolucija) ih zatim potvrđuju i poboljšavaju. Ipak, trend ide prema “inteligentnom” inženjeringu enzima uz pomoć velikih podataka. Stručnjaci predviđaju da bi u budućnosti računala mogla pouzdano dizajnirati “savršeni enzim” za određeni zadatak, smanjujući potrebu za ogromnim bibliotekama za pretraživanje aiche.org – iako još nismo sasvim tamo.

Kombiniranjem ovih tehnika, istraživači sada mogu optimizirati enzime na predvidljiv, ponovljiv način. Kao što je zaključeno u jednom pregledu iz 2021., “danas je inženjering enzima zrelo područje koje može predvidljivo optimizirati katalizator za željeni proizvod… proširujući raspon industrijskih primjena enzima.” aiche.org. Ukratko, ono što je nekad bilo eksperimentiranje metodom pokušaja i pogreške sve više postaje racionalna, na podacima utemeljena inženjerska disciplina.

Primjene u medicini i farmaceutici

Jedan od najuzbudljivijih utjecaja inženjeringa enzima je u medicini i razvoju lijekova. Enzimi imaju uloge u našim tijelima i u proizvodnji mnogih suvremenih lijekova. Inženjeringom enzima, znanstvenici stvaraju nove terapije i poboljšavaju način proizvodnje lijekova:

• Ekološki prihvatljivija farmaceutska proizvodnja: Mnogi lijekovi su složene organske molekule koje tradicionalno zahtijevaju višestupanjsku sintetsku kemiju (često s toksičnim reagensima ili skupim uvjetima). Inženjerski modificirani enzimi mogu izvoditi ove transformacije čišće. Vodeći primjer je proizvodnja sitagliptina (Januvia) za dijabetes: Merck je optimizirao enzim putem usmjerene evolucije kako bi zamijenio kemijski katalizator u proizvodnom procesu. Rezultat je bila učinkovitija reakcija s većim prinosom i manje opasnog otpada aiche.org. Ovaj uspjeh je pokazao da je “inženjering enzima bio ključan” za pojednostavljenje zahtjevne kemijske sinteze, postigavši 13% veći prinos i 19% manje otpada korištenjem evoluiranog enzima aiche.org. Od tada su mnoge farmaceutske tvrtke usvojile enzimske katalizatore za proizvodnju lijekova (na primjer, za proizvodnju lijeka za snižavanje kolesterola atorvastatina i drugih), značajno smanjujući utjecaj na okoliš i troškove.
• Enzimske terapije: Neke bolesti uzrokovane su nedostatkom ili neispravnim radom enzima u tijelu (na primjer, lizosomske bolesti nakupljanja, gdje pacijentu nedostaje određeni enzim za razgradnju određenih metabolita). Inženjering enzima omogućuje dizajn terapija zamjene enzima koje su sigurnije i učinkovitije. Tvrtke su modificirale enzime koji se koriste kao lijekovi (npr. PEGiliranjem enzima kako bi dulje trajao u cirkulaciji ili izmjenom aminokiselina radi smanjenja imunoloških reakcija). Značajan slučaj je enzim asparaginaza, koji se koristi za liječenje leukemije izgladnjivanjem stanica raka za asparagin. Istraživači su inženjerski stvorili verziju asparaginaze s manjim nuspojavama i poboljšanom stabilnošću, poboljšavajući njezin terapijski profil pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Slično, laktaza enzimi su inženjerski modificirani i prodaju se kao dodaci prehrani kako bi pomogli osobama s netolerancijom na laktozu u probavi mliječnih proizvoda.
• Biofarmaceutici i biološki lijekovi: Osim klasičnih enzima, široko područje proteinskih terapija (antitijela, citokini itd.) također ima koristi od tehnika inženjerstva proteina. Nobelova nagrada 2018. dodijeljena je Sir Gregory Winter za evoluciju antitijela pomoću prikaza na fagu – što je u suštini primjena inženjerstva enzima/proteina za razvoj novih lijekova poput Humira, najprodavanijeg lijeka na svijetu za autoimune bolesti businessinsider.com. Taj rad je blizak srodnik inženjerstva enzima. Zapravo, u najavi za Nobelovu nagradu istaknuto je da su ove metode proizvele “antitijela koja napadaju rak” i druga velika otkrića nobelprize.org. Danas laboratoriji rutinski koriste usmjerenu evoluciju ili racionalni dizajn za poboljšanje vezanja i specifičnosti lijekova na bazi antitijela.
• Dijagnostika i biosenzori: Inženjerski enzimi također su ključni u medicinskoj dijagnostici. Pomislite na test trake za mjerenje glukoze u krvi za dijabetičare – koriste enzim glukoza oksidazu. Prilagođavanjem takvih enzima, znanstvenici su poboljšali osjetljivost i stabilnost dijagnostičkih testova. Enzimi u kombinaciji s antitijelima u ELISA setovima ili s elektrodama u biosenzorima mogu detektirati biomarkere na niskim razinama. Na primjer, istraživači su inženjerski prilagodili enzime za bolju detekciju određenih metabolita ili čak virusa putem testova na mjestu skrbi labinsights.nl. Kao što smo vidjeli tijekom COVID-19, enzimi poput PCR polimeraza i CRISPR-povezanih enzima optimizirani su za brzo otkrivanje virusnog genetskog materijala. Dakle, inženjerstvo enzima doprinosi bržem i točnijem medicinskom testiranju.
• Nove terapijske strategije: Neke najsuvremenije terapije doslovno koriste enzime kao “lijekove” za postizanje novih ciljeva. Jedan primjer je korištenje bakterijskog enzima za filtriranje toksina iz krvi u dijaliznim aparatima (znanstvenici su eksperimentirali s enzimima koji razgrađuju uremičke toksine tijekom bubrežne dijalize labinsights.nl). Drugi primjer je terapija raka koja koristi enzime za aktivaciju kemoterapijskih lijekova samo na mjestu tumora (enzim je inženjerski prilagođen da pretvori netoksični pro-lijek u toksični lijek u tumorskom tkivu, štedeći zdrave stanice). Enzimi se također dizajniraju za razgradnju zaštitne matrice oko tumora ili za uskraćivanje hranjivih tvari tumorima – sve su to vrlo ciljani pristupi koji se istražuju.

Ukratko, inženjering enzima pomaže u tome da se lijekovi proizvode jeftinije i ekološki prihvatljivije, a omogućuje i nove tretmane i dijagnostiku. Kako je jedan stručnjak rekao, “mogućnosti su beskrajne” – od upravljanja otpadom u farmaceutskoj industriji do isporuke lijekova unutar tijela news.utexas.edu. A budući da su enzimi vrlo specifični, njihova upotreba u medicini može smanjiti nuspojave u usporedbi s grubim kemikalijama. To je značajan korak prema personaliziranijoj i održivijoj zdravstvenoj skrbi.

Stručno mišljenje: Razmišljajući o široj slici, nobelovka Frances Arnold istaknula je da je kopiranje prirodnog evolucijskog procesa dizajna otvorilo svijet novih medicinskih rješenja. “Sva ta nevjerojatna ljepota i složenost biološkog svijeta nastaje kroz jedan jednostavan, prekrasan algoritam dizajna… Ja koristim taj algoritam za izgradnju novih bioloških stvari,” rekla je Arnold businessinsider.com. Te “nove biološke stvari” uključuju napredne enzime i proteine koji danas spašavaju živote.

Primjene u poljoprivredi i prehrani

Inženjering enzima mijenja način na koji uzgajamo hranu, proizvodimo je, pa čak i ono što jedemo. U poljoprivredi i prehrambenoj industriji enzimi su dugo bili radne “konje” (primjerice sirilo u siru ili amilaze u proizvodnji kruha). Sada inženjerski enzimi omogućuju održiviju, učinkovitiju i hranjiviju proizvodnju hrane:

• Rast i zaštita usjeva: Poljoprivrednici i agrotehnološke tvrtke koriste enzime za poboljšanje zdravlja tla i biljaka. Na primjer, biljkama je potreban fosfor, ali većina je vezana u tlu kao fitinska kiselina koju životinje ne mogu probaviti. Fitaze su enzimi koji oslobađaju fosfat iz fitinske kiseline; znanstvenici su inženjerski unaprijedili fitaze koje su otpornije na toplinu (da prežive u peletiranoj stočnoj hrani) i aktivnije u probavnom sustavu. Dodavanje ovih inženjerskih enzima u stočnu hranu znatno povećava unos hranjivih tvari i smanjuje zagađenje fosforom iz životinjskog otpada link.springer.com, abvista.com. Također postoje napori za stvaranje transgenih usjeva koji izražavaju takve enzime u svojim sjemenkama, čineći usjeve hranjivijima za životinje i ljude pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Osim toga, prirodni biljni ili mikrobni enzimi koji štite od štetnika ili bolesti mogu se optimizirati. Istraživači su eksperimentirali s enzimima koji razgrađuju gljivične toksine ili egzoskelete insekata kao ekološki prihvatljive pesticide, iako su oni još uvijek u razvoju.
• Prerada hrane i kvaliteta: Ovo je područje gdje enzimi već briljiraju – od kuhanja piva do omekšavanja mesa – a inženjering enzima to dodatno unapređuje. Inženjerski oblikovani enzimi pomažu učinkovitije prerađivati hranu i poboljšavaju kvalitetu. Na primjer, enzimi u preradi škroba (za proizvodnju zaslađivača poput kukuruznog sirupa s visokim udjelom fruktoze) tradicionalno su imali ograničenja u pogledu temperature i pH vrijednosti. Inženjeringom tih enzima (npr. amilaza koje razgrađuju škrob i glukoza izomeraza koja pretvara glukozu u fruktozu), tvrtke su postigle procese na višim temperaturama i optimalnom pH, dobivši slađi proizvod s manje nečistoća aiche.org. U mliječnoj industriji, enzim kimozin (koristi se u proizvodnji sira) bio je jedan od prvih proteina proizvedenih rekombinantnom DNK tehnologijom; sada postoje verzije optimizirane za različite okuse sireva ili za proizvodnju vegetarijanskih sireva. Laktaza je još jedan enzim koji je inženjerski oblikovan kako bi učinkovitije stvarao mlijeko bez laktoze, radeći brzo na niskim temperaturama. U pekarstvu, inženjerski enzimi pomažu da kruh dulje ostane mekan (amilaze protiv ustajanja) i poboljšavaju rukovanje tijestom. Pivarska industrija koristi inženjerske enzime za poboljšanje prinosa i proizvodnju piva s malo ugljikohidrata ili smanjenim glutenom razgradnjom specifičnih sastojaka.
• Poboljšanje nutritivne vrijednosti hrane: Enzimi mogu razgraditi nepoželjne spojeve i stvarati korisne. Na primjer, neko povrće sadrži gorke glukozinolate; inženjerski enzim mogao bi smanjiti gorčinu modificiranjem tih spojeva (ovo je hipotetska, ali moguća buduća primjena). Pravi primjer su oligosaharidi majčinog mlijeka (HMO) – složeni šećeri u majčinom mlijeku koji pogoduju zdravlju crijeva dojenčadi. Te je spojeve teško kemijski sintetizirati, ali inženjeri enzima razvili su puteve koristeći više enzima za proizvodnju HMO-a za dječje formule aiche.org. Optimizacijom svakog enzima u putu (za veću aktivnost i stabilnost), tvrtke sada mogu proizvoditi HMO-e koji su nekad bili dostupni samo putem majčinog mlijeka, donoseći nutritivne prednosti bebama hranjenim formulom aiche.org.
• Smanjenje otpada od hrane i sigurnija hrana: Enzimi također pomažu u očuvanju hrane. Inženjerski enzimi koriste se za dulje održavanje kruha bez plijesni ili za sprječavanje zamućenja voćnih sokova. Na primjer, enzim koji razgrađuje pektinsku zamućenost u soku može se učiniti otpornijim kako bi brzo djelovao u hladnoj preradi soka. Za sigurniju kavu, može se dodati enzim (spomenut u izvješću iz 2024.) koji razgrađuje akrilamid – potencijalni kancerogen koji nastaje prženjem zrna kave – bez utjecaja na okus khni.kerry.com. Inženjeringom takvih enzima da budu prikladni za prehranu i učinkoviti, možemo ukloniti štetne tvari iz hrane. Produljenje roka trajanja je još jedno područje: enzimi koji sprječavaju užeglost masti ili inhibiraju rast mikroorganizama prilagođavaju se kako bi hrana dulje ostala svježa, čime se smanjuje otpad.
• Novi prehrambeni proizvodi: Inženjering enzima omogućuje stvaranje novih sastojaka. Na primjer, industrija biljnih prehrambenih proizvoda koristi enzime za razvoj zamjena za meso i mliječne proizvode. Enzimi mogu poboljšati teksturu proteina (kao u biljnim burgerima) ili sintetizirati prirodne arome. Inženjerski modificiran transglutaminaza (enzim “mesno ljepilo”) koristi se za povezivanje biljnih proteina kako bi se oponašala vlakna mesa. Precizna fermentacija – korištenje mikroorganizama za proizvodnju prehrambenih sastojaka – često se oslanja na optimizirane enzime i metaboličke puteve. Danas imamo mliječne proteine (kazein, sirutka) proizvedene fermentacijom kvasca, zahvaljujući inženjerski modificiranim enzimima i genima, koji se mogu koristiti za izradu pravog sira bez krava. Slično, enzimi se koriste za proizvodnju zaslađivača (poput enzimskog procesa za jeftiniju proizvodnju zaslađivača od monk voća ili stevije RebM) khni.kerry.com. Mnogi od ovih procesa nisu bili izvedivi dok inženjering enzima nije učinio biokatalizatore dovoljno učinkovitima za komercijalnu upotrebu.

Općenito, inženjering enzima pomaže izgraditi održiviji prehrambeni sustav, od farme do stola. Poboljšava prinose i smanjuje upotrebu kemikalija u poljoprivredi, omogućuje čišću preradu hrane s manje otpada i čak otvara mogućnosti za nove namirnice. Pregled prehrambene znanosti iz 2024. navodi da usmjerena evolucija enzima donosi poboljšane funkcionalnosti koje proizvođačima omogućuju stvaranje “zdravijih, ukusnijih proizvoda s manjim utjecajem na okoliš” khni.kerry.com. Enzimi nam omogućuju zamjenu grubih industrijskih koraka nježnim biološkim procesima. Kako je rekao dr. Niall Higgins iz Kerryja, enzimi su prirodni biokatalizatori i tek počinjemo iskorištavati njihov potencijal – njihovo povezivanje s umjetnom inteligencijom i biotehnologijom će “pozitivno preobraziti naš prehrambeni sustav izgradnjom učinkovitijeg i održivijeg prehrambenog lanca.” khni.kerry.com.

I da, ovo utječe i na vaš svakodnevni život: onaj enzimski deterdžent u vašoj praonici rublja (proteaze koje otapaju mrlje) ili prašak za omekšavanje mesa u vašoj kuhinji (enzim papain) proizvodi su inženjeringa enzima koji olakšavaju svakodnevne zadatke labinsights.nl. Dakle, sljedeći put kad uživate u pivu, siru ili bistru voćnom soku, velika je vjerojatnost da je inženjerski enzim imao udjela u tome!

Industrijska biotehnologija i primjene u zaštiti okoliša

Osim hrane i farmacije, inženjering enzima revolucionira industrijske procese i nudi rješenja za ekološke probleme. Industrijska biotehnologija koristi enzime za zamjenu tradicionalnih kemijskih katalizatora u proizvodnji kemikalija, materijala i goriva. U znanosti o okolišu, modificirani enzimi nude nove načine za razgradnju zagađivača, recikliranje otpada, pa čak i hvatanje stakleničkih plinova.

Čista industrija uz enzimatske procese

Tradicionalna industrijska kemija može biti prljava – proizvodi toksične nusproizvode, troši puno energije i oslanja se na neobnovljive katalizatore (poput teških metala). Enzimi nude čišću alternativu jer djeluju u vodi na umjerenim temperaturama i biorazgradivi su. Inženjering enzima pomaže prilagoditi enzime industrijskim uvjetima i novim supstratima:

• Tekstil i deterdženti: Enzimi su donijeli veliki napredak industriji pranja rublja i tekstila. Modificirane proteaze i amilaze u deterdžentima za pranje rublja razgrađuju proteine i škrob u mrljama, djelujući čak i pri niskim temperaturama pranja i raznim pH vrijednostima. Tvrtke su poboljšale ove enzime kako bi bili stabilni u praškastim deterdžentima i u prisutnosti izbjeljivača. Rezultat: možete prati odjeću u hladnoj vodi i ukloniti tvrdokorne mrlje, štedeći energiju i vodu. U tekstilu, enzimi zamjenjuju agresivne kemikalije u procesima poput “stone-washing” traperica (korištenje celulaza za izbljeđivanje trapera) i bio-poliranja tkanina (za sprječavanje stvaranja dlačica). Ovi enzimi su modificirani da izdrže uvjete tekstilne obrade (npr. visoke mehaničke sile i specifičan pH). Laka industrija primjene enzima – uključujući uklanjanje dlaka s kože, izbjeljivanje celuloze i papira te proizvodnju biogoriva iz poljoprivrednog otpada – znatno su se proširile zahvaljujući modificiranim enzimima labinsights.nl.
• Biogoriva i energija: Enzimi su ključni za pretvaranje biomase (poput ostataka usjeva, drva ili algi) u biogoriva. Celulaze koje razgrađuju celulozu u šećere presudne su za proizvodnju celuloznog etanola (obnovljivog goriva). Prirodne celulaze nisu bile dovoljno učinkovite ili bi se raspale iznad 50 °C. Inženjeringom sada imamo mješavine celulaza koje podnose visoke temperature i kiselu predobradu, udvostručujući prinos šećera iz biomase. To čini proizvodnju biogoriva isplativijom. U jednom pokušaju, znanstvenici su poboljšali stabilnost enzima koji razgrađuje drvo tako da može preživjeti predobradu biljnog materijala i nastaviti raditi, čime su znatno smanjili troškove. Također se radi na enzimima za proizvodnju biodizela (lipaze koje pretvaraju biljna ulja u biodizel) kako bi taj proces bio čišći i omogućio ponovnu upotrebu enzima. Sažetak labinsights-a navodi da je korištenje enzima za proizvodnju goriva poput vodika, metana, etanola i metanola iz biljnih materijala “novi način koji ljudi istražuju” za održivu energiju labinsights.nl. Modificirani enzimi ekstremofila (iz mikroba koji vole toplinu) posebno su vrijedni ovdje, jer industrijski reaktori za biogoriva često rade na visokim temperaturama.
• Kemijska sinteza (“zelena kemija”): Vidjeli smo na primjeru sitagliptina kako enzimi mogu zamijeniti metalne katalizatore. Mnoge fine kemikalije i prekursori plastike također se mogu proizvoditi biokatalizom ako je enzim dovoljno dobar. Inženjering enzima proizveo je esteraze i lipaze za proizvodnju estera za kozmetiku i arome hrane (zamjenjujući korozivne kisele katalizatore), transaminaze i ketoreduktaze za kiralnu kemijsku sintezu u farmaciji (proizvodeći konfiguracije molekula s jednom rukom visoke čistoće), pa čak i nitrilaze za proizvodnju organskih kiselina bez opasnih kiselina. Pregled od strane American Chemical Society istaknuo je da inženjerski enzimi sada izvode kemijske reakcije koje su se nekada smatrale biološki nemogućima, omogućujući jedinstepene puteve do spojeva koji su prije zahtijevali više koraka aiche.org. Ovaj trend čini proizvodnju ne samo zelenijom, već često i jeftinijom, jer procesi zahtijevaju manje pročišćavanja i odvijaju se pri sobnom tlaku.

Inženjering enzima za ekološka rješenja

Možda je najinspirativnije kako se inženjering enzima primjenjuje u borbi protiv zagađenja i pomoći okolišu:

• Enzimi koji jedu plastiku: Godine 2016. japanski znanstvenici otkrili su bakteriju (Ideonella sakaiensis) koja je evoluirala da jede PET plastiku (čestu u bocama za vodu) theguardian.com. Ona proizvodi enzim nazvan PETase koji može razgraditi PET na njegove gradivne blokove. Međutim, prirodni enzim bio je spor – trebalo je tjednima da razgradi mali komad plastike theguardian.com. Tu nastupaju inženjeri enzima: više istraživačkih grupa diljem svijeta počelo je mutirati i evoluirati PETase kako bi ga učinili bržim i stabilnijim. Do 2020. tim je stvorio mutant koji je bio oko 6 puta brži. Zatim je 2022. godine došlo do proboja na Sveučilištu Texas u Austinu, gdje je razvijena varijanta PETase nazvana FAST-PETase koja je mogla depolimerizirati plastični otpad u samo 24 sata pod umjerenim uvjetima news.utexas.edu. Ovaj enzim je dizajniran pomoću algoritma strojnog učenja (za identifikaciju korisnih mutacija), a zatim testiran i poboljšan u laboratoriju news.utexas.edu. Hal Alper, voditelj projekta, rekao je “Mogućnosti su beskrajne u raznim industrijama za iskorištavanje ovoga… Kroz ove održivije enzimske pristupe možemo početi zamišljati pravu kružnu ekonomiju plastike.” news.utexas.edu. Drugim riječima, enzimi bi nam mogli omogućiti beskonačnu reciklažu plastike razgrađujući je na sirovine i ponovno je sintetizirajući, umjesto da je odlažemo ili spaljujemo. Ovo je prekretnica u borbi protiv zagađenja plastikom. Kako je drugi istraživač, Andy Pickford, primijetio o izvornom PETase enzimu: “enzim Ideonella je zapravo vrlo rano u svojem evolucijskom razvoju… Cilj je ljudskih znanstvenika da ga dovedu do kraja.” theguardian.com Svjedočimo upravo tome – evoluciji pod vodstvom čovjeka koja sporog “grickalicu” plastike pretvara u proždrljivog reciklatora plastike. Tvrtke i startupovi (poput Protein Evolution, prema Forbesovom izvješću iz 2023.) sada koriste umjetnu inteligenciju i usmjerenu evoluciju za stvaranje enzima koji probavljaju razne plastike i polimere, potencijalno rješavajući naše probleme s otpadom na odlagalištima i u oceanima pmc.ncbi.nlm.nih.gov.
• Sanacija okoliša: Osim plastike, inženjerski enzimi mogu razgraditi i druge zagađivače. Na primjer, enzimi zvani laksaze i peroksidaze (iz gljiva i bakterija) mogu razgraditi toksične boje u otpadnim vodama tekstilne industrije, pa čak i neke pesticide. Ovi enzimi su poboljšani kako bi bili stabilniji u prisutnosti zagađivača i kako bi djelovali pri višim pH vrijednostima industrijskih otpadnih voda phys.org. Druga meta su naftne mrlje – znanstvenici poboljšavaju enzime poput alkanske hidroksilaze koji razgrađuju ugljikovodike u nafti, kako bi pomogli bioremedijaciji izlijevanja. Istraživanja su u tijeku i za enzime koji bi mogli razgraditi PFAS (“vječne kemikalije”) – vrlo stabilne kemijske zagađivače – inženjeringom prirodnih enzima koji napadaju slične veze. Iako je to izazovno, nekoliko laboratorija je izvijestilo o početnom uspjehu u inženjeringu enzima za sporu razgradnju određenih PFAS spojeva (granično područje istraživanja od 2025.).
• Uklanjanje ugljika i klima: Enzimi bi mogli pomoći čak i u borbi protiv klimatskih promjena. Jedna ideja je korištenje enzima za vezanje ugljika (poput rubiska ili karbonske anhidraze) za učinkovitije hvatanje CO₂. Prirodni rubisko u biljkama nije jako brz, pa su ga znanstvenici pokušali poboljšati ili prenijeti učinkovitije verzije iz bakterija u poljoprivredne kulture. Napredak je skroman, ali čak i mali dobici u učinkovitosti vezanja CO₂ mogli bi poboljšati prinose usjeva ili proizvodnju biogoriva. Karbonska anhidraza, koja pretvara CO₂ u bikarbonat, prilagođena je za rad u industrijskim rješenjima za hvatanje ugljika, pomažući u zadržavanju CO₂ iz ispušnih plinova elektrana. Pregled iz 2023. istaknuo je korištenje inženjerskih enzima za poboljšanje hvatanja i iskorištavanja ugljika, navodeći to kao ključno područje za održivost pmc.ncbi.nlm.nih.gov, longdom.org. Iako sami enzimi neće riješiti klimatske promjene, oni su vrijedne komponente u alatu za upravljanje ugljikom i stvaranje ugljično neutralnih goriva (putem enzimatske reciklaže CO₂ u kemikalije).
• Pročišćavanje otpadnih voda: Enzimi se koriste za obradu kanalizacije i otpadnih tokova razgradnjom organske tvari i toksina. Na primjer, organofosfatne hidrolaze su poboljšane za razgradnju živčanih otrova i pesticida u vodi. Nitrilaze i dehidrogenaze mogu detoksificirati industrijska otapala. Poboljšanjem aktivnosti i raspona ovih enzima, postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda mogu učinkovitije neutralizirati štetne kemikalije prije ispuštanja vode. U jednom slučaju, istraživači su inženjerski poboljšali enzim za razgradnju uobičajenog zagađivača podzemnih voda (1,2-dikloroetan), postižući bržu dekontaminaciju. Enzimi nude pristup bioremedijaciji koji se ponekad može provesti na licu mjesta jednostavnim dodavanjem enzima ili mikroorganizama koji ih proizvode.

Od industrijske katalize do čišćenja okoliša, inženjering enzima pruža čišća, sigurnija i često jeftinija rješenja. To je u skladu s principima održivosti – korištenje obnovljivih bioloških katalizatora umjesto agresivnih kemikalija. Kako je to izrazila Kraljevska švedska akademija, dobitnici Nobelove nagrade 2018. pokazali su kako usmjerena evolucija može stvoriti “proteine koji rješavaju kemijske probleme čovječanstva” businessinsider.com. To vidimo na djelu u ovim primjerima: bilo da je “kemijski problem” zagađujući tvornički proces ili toksični zagađivač, inženjerski enzimi preuzimaju ulogu rješavača problema.

Za snažan nedavni primjer, razmotrimo što je rekao Andrew Ellington (biokemičar uključen u rad na FAST-PETase): “Ovaj rad zaista pokazuje snagu povezivanja različitih disciplina, od sintetske biologije do kemijskog inženjerstva i umjetne inteligencije.” news.utexas.edu Inženjering enzima zaista se nalazi na raskrižju disciplina – a uspjesi poput enzima koji razgrađuje plastiku svjedoče o toj snazi suradnje.

Nedavni proboji (2024.–2025.) i budući pogled

Od 2024.–2025., inženjering enzima napreduje nevjerojatnom brzinom, zahvaljujući novim tehnologijama. Evo nekoliko glavnih trendova i proboja u posljednjih godinu-dvije, koji pokazuju kamo ovo područje ide:

• Enzimi dizajnirani pomoću AI-a: Veliki iskorak dogodio se početkom 2023. kada su istraživači izvijestili o prvim enzimima u potpunosti stvorenima AI dizajnom koji djeluju jednako dobro kao i prirodni newsroom.uw.edu. Trenirajući modele dubokog učenja na bazama podataka sekvenci proteina, znanstvenici sada mogu generirati nove strukture enzima prilagođene za vezanje specifičnih molekula. Rad u časopisu Nature “De novo dizajn luciferaza pomoću dubokog učenja” to je pokazao proizvodnjom enzima koji emitiraju svjetlost (luciferaze) za odabrane kemijske supstrate newsroom.uw.edu. Ovi enzimi dizajnirani pomoću AI-a, nakon laboratorijskog usavršavanja, zapravo su bili učinkovitiji od nekih pronađenih u prirodi newsroom.uw.edu. Ovo otkriće sugerira da bi u bliskoj budućnosti, ako imate kemijsku reakciju na umu, mogli zamoliti AI da “zamislite” enzim za nju. Kako je dr. David Baker istaknuo, to bi moglo omogućiti prilagođene enzime za gotovo svaku reakciju, što bi koristilo “biotehnologiji, medicini, sanaciji okoliša i proizvodnji” newsroom.uw.edu. Nekoliko startupa (poput Catalyze i ProteinQure) sada djeluje na ovom području, s ciljem skraćivanja ciklusa razvoja enzima pomoću algoritama.
• Sustavi kontinuirane evolucije: Tradicionalna usmjerena evolucija je postupna i zahtijeva puno rada – mutiraj, eksprimiraj, provjeri, ponovi. Nove metode to automatiziraju, poput sustava kontinuirane usmjerene evolucije u kojima bakterije ili fagi mutiraju ciljani gen u stvarnom vremenu dok se repliciraju. U 2024. istraživači su predstavili poboljšane sustave (poput MutaT7 i drugih) koji mogu evoluirati enzime unutar živih stanica kontinuirano, dramatično ubrzavajući proces biorxiv.orgs, ciencedirect.com. Jedna takva metoda povezala je aktivnost enzima s rastom stanica, tako da preživljavaju i razmnožavaju se samo stanice s boljim enzimom – elegantna selekcija koja je trajala mnogo generacija i dala visoko optimiziran enzim u nekoliko dana umjesto mjeseci journals.asm.org. Automatizacija i mikrofluidika također se koriste za provođenje usmjerene evolucije uz minimalnu ljudsku intervenciju, što bi u budućnosti moglo optimizaciju enzima učiniti gotovo potpuno robotskim procesom.
• Hibridni pristupi (strojno učenje + evolucija): Znanstvenici kombiniraju AI s laboratorijskom evolucijom u petlji. U jednom izvješću iz 2022., model strojnog učenja usmjeravao je koje mutacije napraviti (učeći iz podataka svake runde), a ova usmjerena evolucija postigla je bolji enzim s manje rundi molecularbiosci.utexas.edu. Ovaj pristup “aktivnog učenja” postaje popularan – algoritam predviđa obećavajuće mutacije, one se testiraju, podaci se vraćaju u sustav, a model ažurira svoja predviđanja. To može smanjiti veličinu biblioteka i usmjeriti se na korisne promjene. Kako skupovi podataka o enzimima rastu, ovi modeli postaju pametniji. Možemo očekivati da će do 2025. i kasnije većina kampanja usmjerene evolucije u određenoj mjeri koristiti AI, čineći pretrage učinkovitijima.
• Širenje enzimskog alata: Otkrivaju se novi enzimi iz ekstremnih okoliša (topli izvori, dubokomorski otvori, polarni led) koji imaju zanimljive sposobnosti (tzv. ekstremoenzimi). Godine 2024. jedna je grupa izvijestila o inženjeringu enzima iz dubokomorskog mikroba koji funkcionira u industrijskoj katalizi na 5 °C, otvarajući mogućnosti za procese koji štede energiju (nema potrebe za zagrijavanjem reaktora) pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Također, fokus je i na umjetnim enzimima – to uopće nisu proteini, već dizajnirane molekule (poput DNA enzima ili peptidnih katalizatora). Ipak, proteinski enzimi i dalje su glavni “radni konji” zbog evolucijske prednosti.
• Rješavanje medicinskih izazova: Inženjering enzima ostaje na čelu medicinskih inovacija. Nedavno otkriće (2025.) uključivalo je dizajnirani enzim koji može prijeći krvno-moždanu barijeru i razgraditi toksični metabolit u mozgu, nudeći potencijalni tretman za rijetku neurološku bolest (ovo je hipotetski primjer aktivnog smjera istraživanja). Također, krajem 2024. znanstvenici su izvijestili o visoko evoluiranom CRISPR-Cas varijanti enzima koja ima izuzetno nisku izvan-ciljnu aktivnost, čineći uređivanje gena preciznijim – ta varijanta dobivena je usmjerenom evolucijom i mogla bi poboljšati sigurnost CRISPR terapija.
• Regulativa i javno prihvaćanje: S velikom moći dolazi i odgovornost, pa napomena o budućnosti nije potpuna bez spominjanja regulative i percepcije javnosti. Inženjerski enzimi koji se koriste u hrani ili ispuštaju u okoliš prolaze sigurnosne procjene. Regulatori u EU i SAD-u uglavnom su podržavajući, jer enzimski proizvodi često zamjenjuju agresivnije kemikalije. Ipak, enzimi proizvedeni GMO mikrobima moraju biti označeni u nekim jurisdikcijama. Javno prihvaćanje je visoko kada su koristi (npr. manje zagađenja, bolja prehrana) jasne, ali transparentnost je ključna. Stručnjaci predviđaju “rastuću zabrinutost oko regulatornog okvira” kako sve više proizvoda iz inženjerskih mikroba ulazi u prehranu i poljoprivredu khni.kerry.com. Komunikacija o sigurnosti i prednostima enzimskih tehnologija bit će stalan zadatak.

Zaključno, inženjering enzima doživljava val tehnološkog napretka i vjerojatno ćemo vidjeti još brži i radikalniji razvoj u nadolazećim godinama. Kako je jedan naslov iz 2023. rekao, “Znanstvenici koriste AI za osmišljavanje umjetnih enzima” singularityhub.com – i ti snovi postaju stvarnost u laboratoriju. Sinergija biologije i tehnologije ovdje je duboka: evolucija (algoritam dizajna prirode) sada je nadopunjena ljudskim algoritmima dizajna.

Završne misli

Inženjering enzima možda nije toliko poznat javnosti kao uređivanje gena ili AI, ali njegov utjecaj je vjerojatno jednako dalekosežan. Kroz iskorištavanje i poboljšavanje prirodnih katalizatora, mijenjamo industrije koje utječu na svaki aspekt svakodnevnog života – od lijekova koje uzimamo, hrane koju jedemo, odjeće koju nosimo, do okoliša u kojem živimo. I to se događa na način koji često čini te procese čišćima i održivijima.

Kako je jednom rekla nobelovka Frances Arnold: “Inovacija kroz evoluciju: donošenje nove kemije u život.” aiche.org Inženjering enzima utjelovljuje tu frazu. Koristi inovacije nadahnute evolucijom za stvaranje nove kemije – bilo da se radi o lijeku koji spašava živote ili enzimu koji razgrađuje plastiku. Ovo područje ima bogatu povijest otkrića i trenutno vrvi inovacijama kao nikada prije. Od 2025. svjedočimo transformaciji načina na koji rješavamo probleme pomoću biologije. Inženjeri enzima, u suštini, stvaraju rješenja koja su pametnija, zelenija i više usklađena sa samim životom. A ova revolucija enzima tek počinje.

Kratka povijest inženjeringa enzima

Enzime ljudi koriste tisućama godina (čak i nesvjesno) – pomislite na drevno pivarstvo, proizvodnju sira ili fermentaciju kruha, gdje prirodni enzimi u mikrobima obavljaju posao. No, znanstveno razumijevanje enzima započelo je u 19. stoljeću proučavanjem probave i kemije fermentacije pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Do sredine 20. stoljeća znanstvenici su otkrili da su enzimi proteini te su dešifrirali njihove osnovne strukture i način na koji kataliziraju reakcije. To je postavilo teorijske temelje za inženjering enzima pmc.ncbi.nlm.nih.gov: ako razumijemo strukturu enzima, možemo li je prilagoditi svojim potrebama?

Ovo područje je doista procvalo u kasnom 20. stoljeću zahvaljujući probojima u molekularnoj biologiji. Dva Nobelom nagrađena otkrića iz 1970-ih i 1980-ih postavila su temelje:

• Rekombinantna DNA tehnologija (genetski inženjering): Alati za rezanje, spajanje i kloniranje DNA (prvi su ih razvili Paul Berg, Herbert Boyer, Stanley Cohen itd.) omogućili su znanstvenicima izolaciju i modifikaciju gena za enzime. Do 1980-ih postalo je moguće proizvoditi rekombinantne enzime – na primjer, stvaranje ljudskog inzulina ili industrijskih enzima u bakterijama ili kvascima, što je enzime učinilo mnogo dostupnijima za eksperimentiranje i upotrebu.
• Usmjerena mutageneza: Izumio ju je Michael Smith 1970-ih, a ova metoda omogućila je namjerne promjene jednog slova u DNA nobelprize.org. Za to je Michael Smith podijelio Nobelovu nagradu za kemiju 1993. godine. Odjednom su biokemičari mogli stvoriti specifičnu mutaciju u enzimu i promatrati učinak, što je uvelike unaprijedilo razumijevanje odnosa između strukture i funkcije enzima. U priopćenju za medije povodom dodjele Nobelove nagrade 1993. istaknuto je da “Smithovom metodom moguće je reprogramirati genetski kod… i zamijeniti specifične aminokiseline u proteinima. …mogućnosti konstruiranja proteina s novim svojstvima [temeljno su se promijenile].” nobelprize.org Ovo je bio početak namjernog dizajna proteina. Rani uspjesi uključivali su prilagodbu enzima za izdržavanje viših temperatura ili inženjering antitijela (koja su vezni proteini) za ciljanje tumora nobelprize.org – primitivne oblike prilagođenih proteina za medicinu i industriju.

Međutim, racionalni dizajn u to je vrijeme bio ograničen našim nepotpunim znanjem. U 1980-ima mnogi su znanstvenici pokušavali “prečacem evolucije” analizirati strukture enzima i predviđati korisne mutacije, ali su često nailazili na frustracije aiche.org. Pokazalo se da su enzimi vrlo složeni; promjena jednog dijela često je imala nepredvidive učinke na cijelu molekulu. Kako je jedan pregled naveo, istraživači su naučili da “enzime nije tako lako razumjeti” – “veći dio polipeptidnog lanca” oko aktivnog mjesta također je važan za funkciju aiche.org. Do kasnih 1980-ih, samo su skromni pomaci postignuti isključivo racionalnim izmjenama enzima.

Pravi proboj dogodio se početkom 1990-ih s usmjerenom evolucijom. Godine 1993. Frances H. Arnold – frustrirana neuspjelim racionalnim dizajnima – objavila je prvo prikazivanje evolucije enzima putem nasumičnih mutacija i probira radi boljeg djelovanja. Tijekom 1990-ih i 2000-ih, tehnike usmjerene evolucije doživjele su procvat, potpomognute izumima poput error-prone PCR (za jednostavno uvođenje nasumičnih mutacija) i DNA shuffling (rekombinacija dijelova gena radi miješanja korisnih mutacija) sigmaaldrich.com. Istraživači su također razvili metode visokoprotočnog probira i domišljate selekcije za pretraživanje knjižnica enzima u potrazi za željenim svojstvima. Usmjerena evolucija pokazala se iznimno snažnom za optimizaciju enzimske aktivnosti, specifičnosti, stabilnosti, što god poželite. Nije zahtijevala detaljno prethodno znanje – samo dobar sustav za stvaranje raznolikosti i pronalaženje pobjednika. Tijekom sljedeća dva desetljeća, ovaj pristup je revolucionirao inženjering enzima u akademskoj zajednici i industriji. Enzimi su evoluirali da izvode nove reakcije (čak i one nepoznate u prirodi), da funkcioniraju u neprirodnim okruženjima (poput toksičnih otapala ili ekstremnog pH), te da poboljšaju industrijske procese. “Evolucija je jednostavan i iznimno snažan algoritam mutacije i selekcije,” kako je navedeno u jednom članku – a sada su inženjeri mogli primijeniti taj algoritam po želji aiche.org. Nametanjem selekcije za ono što želimo, zapravo navodimo Prirodu da izmisli rješenja za nas.

Značajno postignuće u stvarnom svijetu bilo je Merckovo razvijanje (otprilike 2007.–2010.) evoluiranog enzima za sintezu lijekova. Merck je, u suradnji s biotehnološkom tvrtkom Codexis, koristio usmjerenu evoluciju za poboljšanje enzima za proizvodnju lijeka za dijabetes sitagliptina. Konačni enzim (nakon nekoliko rundi evolucije) izvodio je ključni kemijski korak s 99,95% selektivnosti i visokim prinosom, zamijenivši katalizator od teških metala i izbacivši više koraka aiche.org. Enzimski proces povećao je ukupni prinos za 13% i smanjio kemijski otpad za 19%, dok je eliminirao potrebu za visokotlačnim vodikovim plinom i toksičnim metalima aiche.org. Ovo je bio prekretnica koja je pokazala da inženjerski enzimi mogu učiniti proizvodnju lijekova ekološki prihvatljivijom i učinkovitijom – a Arnold i suradnici su za to osvojili prestižnu Greener Chemistry nagradu 2010. godine. Od 2018. utjecaj usmjerene evolucije bio je toliko dubok da su Frances Arnold, Gregory Winter i George Smith nagrađeni Nobelovom nagradom za kemiju. Winter i Smith razvili su metode za evoluciju proteina poput antitijela pomoću prikaza na fagu, a Arnold za enzime – zajedno su pokazali da „korištenje snage evolucije” može dovesti do izuma poput novih lijekova, biogoriva i katalizatorabusinessinsider.com.

Ulaskom u 21. stoljeće, inženjering enzima samo se ubrzao. Kasne 2010-e i rane 2020-e donijele su računalni dizajn proteina (korištenje softvera poput Rosette za dizajniranje enzima za specifične reakcije) i uspon umjetne inteligencije u inženjeringu proteina. Uz ogromne baze podataka o proteinima i strojno učenje, znanstvenici mogu predvidjeti strukture enzima (zahvaljujući probojima poput AlphaFolda) pa čak i generirati nove sekvence enzima s željenim funkcijama newsroom.uw.edu. U 2022.–2023. istraživači su izvijestili o korištenju dubokog učenja za stvaranje novih enzima od nule (posebno novih luciferaza, kao što je gore spomenuto) newsroom.uw.edu. U međuvremenu, metode poput kontinuirane usmjerene evolucije i automatiziranog visokoprotočnog probira čine proces evolucije bržim i manje zahtjevnim za ljudsku intervenciju biorxiv.org, sciencedirect.com. Inženjering enzima danas je bogata kombinacija biologije, inženjerstva i podatkovne znanosti – daleko od pokušaja i pogrešaka iz prošlih desetljeća. Kako je navedeno u jednom industrijskom izvješću iz 2024., tek smo “zagrebali po površini” u iskorištavanju enzima – istražen je samo mali dio mogućih enzima, pa je potencijal ogroman khni.kerry.com.

Ključne tehnike u inženjeringu enzima

Inženjeri enzima imaju niz metoda za stvaranje poboljšanih enzima. Evo nekoliko glavnih tehnika i kako funkcioniraju:

• Usmjerena mutageneza: Precizna metoda za promjenu specifičnih aminokiselina u enzimu. Znanstvenici dizajniraju kratak DNA prajmer s željenom mutacijom i koriste ga za kopiranje gena, uvodeći promjenu. To je poput uređivanja jednog slova u nacrtu. Odlično je za testiranje hipoteza (npr. “hoće li zamjena ove glicina alaninom učiniti enzim stabilnijim?”) i za fino podešavanje aktivnih mjesta enzima. Usmjerena mutageneza bila je prva metoda inženjeringa proteina i još se uvijek široko koristi nobelprize.org. Ograničenje je što morate sami odabrati mutaciju – pa uspjeh ovisi o tome koliko je vaša pretpostavka dobra.
• Usmjerena evolucija: Metoda snage, kako je ranije opisano. Umjesto jedne ciljane promjene, generira se mnoge nasumične mutacije i provodi selekcija za bolji enzim. Ključni koraci uključuju stvaranje biblioteke varijanti (putem error-prone PCR-a, DNA shufflanja srodnih gena ili drugih tehnika mutageneze sigmaaldrich.com) i sustava za selekciju ili screening kako bi se pronašle poboljšane varijante. Na primjer, ako želite brži enzim, možete provjeravati kolonije koje brže mijenjaju boju supstrata, ili ako želite enzim koji radi na visokim temperaturama, provjeravate preživjele nakon zagrijavanja. Usmjerena evolucija može donijeti iznenađujuća poboljšanja – enzimi mogu dobiti 100× veću aktivnost ili se prilagoditi radu u kipućoj vodi itd. To je metoda pokušaja i pogreške vođena slijepom pretragom evolucije, ali izuzetno učinkovita. Kako je jedan članak sažeo, “Usmjerena evolucija… generira nasumične mutacije u genu od interesa… oponaša prirodnu evoluciju nametanjem stroge selekcije za identifikaciju proteina s optimiziranom funkcionalnošću” sigmaaldrich.com. Ova metoda ne zahtijeva poznavanje strukture enzima, što je velika prednost.
• Visokoprotočni screening i selekcija: Ovo nisu inženjerske metode same po sebi, ali su ključne komponente, osobito usmjerene evolucije. Uključuju tehnike za brzo testiranje tisuća varijanti enzima. Na primjer: kolorimetrijski testovi u mikrotitarskim pločama, FACS (fluorescencijski aktivirano sortiranje stanica) za sortiranje stanica s aktivnim enzimima, prikaz na fagu za povezivanje proteina s DNA radi selekcije, ili komplementacija rasta gdje samo poboljšani enzimi omogućuju rast bakterija pod određenim uvjetima sigmaaldrich.com. Što je vaša metoda screeninga bolja (“dobijete ono što tražite” aiche.org), veća je vjerojatnost da ćete pronaći varijantu enzima koja vam treba.
• Imobilizacija i kemijska modifikacija: Ponekad inženjering enzima ne znači samo mijenjanje njegovih aminokiselina. Imobilizacija enzima je tehnika vezanja enzima na čvrste nosače (poput kuglica ili smole), što može poboljšati stabilnost i omogućiti ponovnu upotrebu u industrijskim reaktorima labinsights.nll. Iako se ne mijenja sekvenca enzima, to je inženjerski pristup koji enzime čini praktičnijima (neće se isprati i često bolje podnose uvjete kada su imobilizirani). Kemijske modifikacije, poput vezanja polimera (PEGilacija) ili umrežavanja molekula enzima, također mogu poboljšati svojstva poput stabilnosti ili poluvijeka lijeka. Ove metode nazivaju se “tehnologije enzima druge generacije” još od 1970-ih labinsights.nl, i nadopunjuju genetske modifikacije.
• Kompjutacijski (in silico) dizajn: Brzo rastući pristup je korištenje računalnih algoritama za dizajn novih enzima ili poboljšanje postojećih. Simuliranjem struktura enzima i fizike njihovih aktivnih mjesta, znanstvenici pokušavaju predvidjeti mutacije koje bi mogle stvoriti željenu aktivnost. Rani pokušaji 2000-ih često nisu bili uspješni, ali područje je napredovalo. Danas programi mogu dizajnirati enzime za određene reakcije (poput Diels-Alderove reakcije u poznatoj studiji iz 2010.), a ti se dizajni zatim proizvode u laboratoriju i testiraju. Posebno, strojno učenje sada pomaže u snalaženju u ogromnom “prostoru pretrage” mogućih varijanti proteina. Godine 2022. tim je razvio model strojnog učenja nazvan MutCompute za usmjeravanje mutacija enzima koji razgrađuje plastiku, uspješno dramatično poboljšavši njegovu učinkovitost molecularbiosci.utexas.edu. I kao što je spomenuto, 2023. su se pojavili prvi enzimi dizajnirani umjetnom inteligencijom koji su doista izvodili novu kemiju newsroom.uw.edu. Kompjutacijski dizajn još se često kombinira sa stvarnom evolucijom/eksperimentima – AI može predložiti kandidate, ali laboratorijska testiranja i dorada (čak i evolucija) zatim ih potvrđuju i poboljšavaju. Ipak, trend ide prema “inteligentnom” inženjeringu enzima uz pomoć velikih podataka. Stručnjaci predviđaju da bi u budućnosti računala mogla pouzdano dizajnirati “savršeni enzim” za određeni zadatak, smanjujući potrebu za ogromnim bibliotekama za pretraživanjeaiche.org – iako još nismo sasvim tamo.

Kombiniranjem ovih tehnika, istraživači sada mogu optimizirati enzime na predvidljiv, ponovljiv način. Kao što je zaključeno u jednom pregledu iz 2021., “danas je inženjering enzima zrelo područje koje može predvidljivo optimizirati katalizator za željeni proizvod… proširujući raspon industrijskih primjena enzima.” aiche.org. Ukratko, ono što je nekad bilo eksperimentiranje metodom pokušaja i pogreške sve više postaje racionalna, na podacima utemeljena inženjerska disciplina.

Primjene u medicini i farmaceutici

Jedan od najuzbudljivijih utjecaja inženjeringa enzima je u medicini i razvoju lijekova. Enzimi imaju uloge u našim tijelima i u proizvodnji mnogih suvremenih lijekova. Inženjeringom enzima, znanstvenici stvaraju nove terapije i poboljšavaju način proizvodnje lijekova:

• Ekološki prihvatljivija farmaceutska proizvodnja: Mnogi lijekovi su složene organske molekule koje tradicionalno zahtijevaju višestupanjsku sintetsku kemiju (često s toksičnim reagensima ili skupim uvjetima). Inženjerski prilagođeni enzimi mogu izvesti ove transformacije čišće. Vodeći primjer je proizvodnja sitagliptina (Januvia) za dijabetes: Merck je optimizirao enzim putem usmjerene evolucije kako bi zamijenio kemijski katalizator u proizvodnom procesu. Rezultat je bila učinkovitija reakcija s većim prinosom i manje opasnog otpada aiche.org. Ovaj uspjeh je pokazao da je “inženjering enzima bio ključan” za pojednostavljenje zahtjevne kemijske sinteze, postigavši 13% veći prinos i 19% manje otpada korištenjem evoluiranog enzima aiche.org. Od tada su mnoge farmaceutske tvrtke usvojile enzimske katalizatore za proizvodnju lijekova (na primjer, za proizvodnju lijeka za snižavanje kolesterola atorvastatina i drugih), značajno smanjujući utjecaj na okoliš i troškove.
• Enzimske terapije: Neke bolesti uzrokovane su nedostatkom ili neispravnim radom enzima u tijelu (na primjer, lizosomske bolesti nakupljanja, gdje pacijentu nedostaje određeni enzim za razgradnju određenih metabolita). Inženjering enzima omogućuje dizajn terapija zamjene enzima koje su sigurnije i učinkovitije. Tvrtke su modificirale enzime koji se koriste kao lijekovi (npr. PEGiliranjem enzima kako bi dulje trajao u cirkulaciji, ili izmjenom aminokiselina radi smanjenja imunoloških reakcija). Značajan slučaj je enzim asparaginaza, koji se koristi za liječenje leukemije izgladnjivanjem stanica raka asparaginom. Istraživači su inženjerski prilagodili verziju asparaginaze s manjim nuspojavama i poboljšanom stabilnošću, poboljšavajući njezin terapijski profil pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Slično, laktaza enzimi su inženjerski prilagođeni i prodaju se kao dodaci prehrani kako bi pomogli osobama s netolerancijom na laktozu u probavi mliječnih proizvoda.
• Biofarmaceutici i biološki lijekovi: Osim klasičnih enzima, široko područje proteinskih terapija (antitijela, citokini itd.) također ima koristi od tehnika inženjerstva proteina. Nobelova nagrada 2018. dodijeljena je Sir Gregoryju Winteru za evoluciju antitijela pomoću prikaza na fagu – što je u suštini primjena inženjerstva enzima/proteina za razvoj novih lijekova poput Humira, najprodavanijeg lijeka na svijetu za autoimune bolesti businessinsider.com. Taj rad je blizak rođak inženjerstva enzima. Zapravo, u najavi za Nobelovu nagradu istaknuto je da su ove metode proizvele “antitijela koja napadaju rak” i druge proboje nobelprize.org. Danas laboratoriji rutinski koriste usmjerenu evoluciju ili racionalni dizajn za poboljšanje vezanja i specifičnosti lijekova na bazi antitijela.
• Dijagnostika i biosenzori: Inženjerski enzimi također su ključni u medicinskoj dijagnostici. Pomislite na test trake za glukozu u krvi za dijabetičare – koriste enzim glukoza oksidazu. Prilagođavanjem takvih enzima, znanstvenici su poboljšali osjetljivost i stabilnost dijagnostičkih testova. Enzimi u kombinaciji s antitijelima u ELISA setovima ili s elektrodama u biosenzorima mogu detektirati biomarkere na niskim razinama. Na primjer, istraživači su inženjerski prilagodili enzime za bolju detekciju određenih metabolita ili čak virusa putem testova na mjestu skrbi labinsights.nl. Kao što smo vidjeli tijekom COVID-19, enzimi poput PCR polimeraza i CRISPR-povezanih enzima optimizirani su za brzo otkrivanje virusnog genetskog materijala. Dakle, inženjerstvo enzima doprinosi bržem i točnijem medicinskom testiranju.
• Nove terapijske strategije: Neke najsuvremenije terapije doslovno koriste enzime kao “lijekove” za postizanje novih učinaka. Jedan primjer je korištenje bakterijskog enzima za filtriranje toksina iz krvi u dijaliznim aparatima (znanstvenici su eksperimentirali s enzimima koji razgrađuju uremičke toksine tijekom bubrežne dijalize labinsights.nl). Drugi primjer je terapija raka koja koristi enzime za aktivaciju kemoterapijskih lijekova samo na mjestu tumora (enzim je inženjerski prilagođen da pretvori netoksični pro-lijek u toksični lijek u tkivu raka, štedeći zdrave stanice). Enzimi se također dizajniraju za razgradnju zaštitne matrice oko tumora ili za uskraćivanje hranjivih tvari tumorima – sve su to vrlo ciljani pristupi koji se proučavaju.

Ukratko, inženjering enzima pomaže u tome da se lijekovi proizvode jeftinije i ekološki prihvatljivije, a omogućuje i nove tretmane i dijagnostiku. Kako je jedan stručnjak rekao, “mogućnosti su beskrajne” – od upravljanja otpadom u farmaceutskoj industriji do isporuke lijekova unutar tijela news.utexas.edu. A budući da su enzimi vrlo specifični, njihova upotreba u medicini može smanjiti nuspojave u usporedbi s grubim kemikalijama. To je značajan korak prema personaliziranijoj i održivijoj zdravstvenoj skrbi.

Stručno mišljenje: Razmišljajući o široj slici, nobelovka Frances Arnold istaknula je da je kopiranje prirodnog evolucijskog procesa dizajna otvorilo svijet novih medicinskih rješenja. “Sva ta nevjerojatna ljepota i složenost biološkog svijeta nastaje kroz jedan jednostavan, prekrasan algoritam dizajna… Ja koristim taj algoritam za izgradnju novih bioloških stvari,” rekla je Arnold businessinsider.com. Te “nove biološke stvari” uključuju napredne enzime i proteine koji danas spašavaju živote.

Primjene u poljoprivredi i prehrani

Inženjering enzima mijenja način na koji uzgajamo hranu, proizvodimo je, pa čak i ono što jedemo. U poljoprivredi i prehrambenoj industriji, enzimi su već dugo radne “konje” (primjerice sirilo u siru ili amilaze u proizvodnji kruha). Sada inženjerski enzimi omogućuju održiviju, učinkovitiju i hranjiviju proizvodnju hrane:

• Rast i zaštita usjeva: Poljoprivrednici i agrotehnološke tvrtke koriste enzime za poboljšanje zdravlja tla i biljaka. Na primjer, biljkama je potreban fosfor, ali većina je vezana u tlu kao fitinska kiselina koju životinje ne mogu probaviti. Fitaze su enzimi koji oslobađaju fosfat iz fitinske kiseline; znanstvenici su inženjerski unaprijedili fitaze koje su otpornije na toplinu (da prežive u peletiranoj stočnoj hrani) i aktivnije u probavnom sustavu. Dodavanje ovih inženjerskih enzima u stočnu hranu znatno povećava unos hranjivih tvari i smanjuje zagađenje fosforom iz životinjskog otpada link.springer.com, abvista.com. Također postoje napori za stvaranje transgenih usjeva koji izražavaju takve enzime u svojim sjemenkama, čineći usjeve hranjivijima za životinje i ljude pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Dodatno, prirodni biljni ili mikrobni enzimi koji štite od štetnika ili bolesti mogu se optimizirati. Istraživači su eksperimentirali s enzimima koji razgrađuju gljivične toksine ili egzoskelete insekata kao ekološki prihvatljive pesticide, iako su oni još uvijek u razvoju.
• Prerada hrane i kvaliteta: Ovo je područje gdje enzimi već briljiraju – od kuhanja piva do omekšavanja mesa – a inženjering enzima to dodatno unapređuje. Inženjerski enzimi pomažu učinkovitije prerađivati hranu i poboljšavaju kvalitetu. Na primjer, enzimi u preradi škroba (za proizvodnju zaslađivača poput kukuruznog sirupa s visokim udjelom fruktoze) tradicionalno su imali ograničenja u temperaturi i pH vrijednosti. Inženjeringom tih enzima (npr. amilaza koje razgrađuju škrob i glukoza izomeraza koja pretvara glukozu u fruktozu), tvrtke su postigle procese na višim temperaturama i optimalnom pH, dobivši slađi proizvod s manje nečistoća aiche.org. U mliječnoj industriji, enzim kimozin (koristi se u proizvodnji sira) bio je jedan od prvih proteina proizvedenih rekombinantnom DNK tehnologijom; sada postoje verzije optimizirane za različite okuse sireva ili za proizvodnju vegetarijanskog sira. Laktaza je još jedan enzim koji je inženjerski poboljšan za učinkovitiju proizvodnju mlijeka bez laktoze, radeći brzo na niskim temperaturama. U pekarstvu, inženjerski enzimi pomažu da kruh dulje ostane mekan (anti-starenje amilaze) i poboljšavaju rukovanje tijestom. Pivarska industrija koristi inženjerske enzime za poboljšanje prinosa i proizvodnju piva s malo ugljikohidrata ili smanjenim glutenom razgradnjom specifičnih komponenti.
• Poboljšanje nutritivne vrijednosti hrane: Enzimi mogu razgraditi nepoželjne spojeve i stvoriti korisne. Na primjer, neko povrće sadrži gorke glukozinolate; inženjerski enzim mogao bi smanjiti gorčinu modificiranjem tih spojeva (ovo je hipotetska, ali moguća buduća primjena). Pravi primjer su humani mliječni oligosaharidi (HMO) – složeni šećeri u majčinom mlijeku koji pogoduju zdravlju crijeva dojenčadi. Teško ih je kemijski sintetizirati, ali inženjeri enzima razvili su puteve koristeći više enzima za proizvodnju HMO-a za dojenačke formule aiche.org. Optimizacijom svakog enzima u putu (za veću aktivnost i stabilnost), tvrtke sada mogu proizvoditi HMO-e koji su nekad bili dostupni samo putem majčinog mlijeka, donoseći nutritivne prednosti bebama hranjenim formulom aiche.org.
• Smanjenje otpada od hrane i sigurnija hrana: Enzimi također pomažu u očuvanju hrane. Inženjerski enzimi koriste se za dulje održavanje kruha bez plijesni ili za sprječavanje zamućenja voćnih sokova. Na primjer, enzim koji razgrađuje pektinsku zamućenost u soku može se učiniti otpornijim kako bi brzo djelovao u hladnoj preradi soka. Za sigurniju kavu, može se dodati enzim (kako je spomenuto u izvješću iz 2024.) koji razgrađuje akrilamid – potencijalni kancerogen koji nastaje prženjem zrna kave – bez utjecaja na okus khni.kerry.com. Inženjeringom takvih enzima da budu prikladni za hranu i učinkoviti, možemo ukloniti štetne tvari iz hrane. Produženje roka trajanja je još jedno područje: enzimi koji sprječavaju užeglost masti ili inhibiraju rast mikroorganizama prilagođavaju se kako bi hrana dulje ostala svježa, čime se smanjuje otpad.
• Novi prehrambeni proizvodi: Inženjering enzima omogućuje stvaranje novih sastojaka. Na primjer, industrija biljnih prehrambenih proizvoda koristi enzime za razvoj zamjena za meso i mliječne proizvode. Enzimi mogu poboljšati teksturu proteina (kao u biljnim burgerima) ili sintetizirati prirodne arome. Inženjerski transglutaminaza (enzim poznat kao “mesno ljepilo”) koristi se za povezivanje biljnih proteina kako bi se oponašala vlakna mesa. Precizna fermentacija – korištenje mikroorganizama za proizvodnju prehrambenih sastojaka – često se oslanja na optimizirane enzime i puteve. Danas imamo mliječne proteine (kazein, sirutka) proizvedene fermentacijom kvasca, zahvaljujući inženjerskim enzimima i genima, koji se mogu koristiti za izradu pravog sira bez krava. Slično, enzimi se koriste za proizvodnju zaslađivača (poput enzimskog procesa za jeftiniju proizvodnju zaslađivača od monk voća ili stevije RebM) khni.kerry.com. Mnogi od ovih procesa nisu bili izvedivi dok inženjering enzima nije učinio biokatalizatore dovoljno učinkovitima za komercijalnu upotrebu.

Općenito, inženjering enzima pomaže izgraditi održiviji prehrambeni sustav, od farme do stola. Poboljšava prinose i smanjuje upotrebu kemikalija u poljoprivredi, omogućuje čišću preradu hrane s manje otpada i čak otvara mogućnosti za nove namirnice. Pregled prehrambene znanosti iz 2024. navodi da usmjerena evolucija enzima donosi poboljšane funkcionalnosti koje proizvođačima omogućuju stvaranje “zdravijih, ukusnijih proizvoda s manjim utjecajem na okoliš” khni.kerry.com. Enzimi nam omogućuju zamjenu grubih industrijskih koraka nježnim biološkim procesima. Kako je rekao dr. Niall Higgins iz Kerryja, enzimi su prirodni biokatalizatori i tek počinjemo iskorištavati njihov potencijal – njihovo povezivanje s umjetnom inteligencijom i biotehnologijom će “pozitivno poremetiti naš prehrambeni sustav izgradnjom učinkovitijeg i održivijeg prehrambenog lanca.” khni.kerry.com.

I da, ovo utječe i na vaš svakodnevni život: onaj enzimski deterdžent u vašoj praonici rublja (proteaze koje otapaju mrlje) ili prašak za omekšavanje mesa u vašoj kuhinji (enzim papain) proizvodi su inženjeringa enzima koji olakšavaju svakodnevne zadatke labinsights.nl. Dakle, sljedeći put kad uživate u pivu, siru ili bistru voćnom soku, velika je vjerojatnost da je inženjerski enzim imao udjela u tome!

Industrijska biotehnologija i primjene u zaštiti okoliša

Osim hrane i farmacije, inženjering enzima revolucionira industrijske procese i nudi rješenja za ekološke probleme. Industrijska biotehnologija koristi enzime za zamjenu tradicionalnih kemijskih katalizatora u proizvodnji kemikalija, materijala i goriva. U ekološkim znanostima, inženjerski enzimi nude nove načine za razgradnju zagađivača, recikliranje otpada, pa čak i hvatanje stakleničkih plinova.

Čistija industrija s enzimatskim procesima

Tradicionalna industrijska kemija može biti prljava – proizvodi toksične nusproizvode, troši puno energije i oslanja se na neobnovljive katalizatore (poput teških metala). Enzimi nude čišću alternativu jer djeluju u vodi na umjerenim temperaturama i biorazgradivi su. Inženjering enzima pomaže prilagoditi enzime industrijskim uvjetima i novim supstratima:

• Tekstil i deterdženti: Enzimi su bili blagoslov za industriju pranja rublja i tekstila. Inženjerske proteaze i amilaze u deterdžentima za pranje rublja razgrađuju proteine i škrob u mrljama, djelujući čak i pri niskim temperaturama pranja i raznim pH vrijednostima. Tvrtke su poboljšale ove enzime da budu stabilni u praškastim deterdžentima i u prisutnosti izbjeljivača za rublje. Rezultat: možete prati odjeću u hladnoj vodi i ukloniti tvrdokorne mrlje, štedeći energiju i vodu. U tekstilu, enzimi zamjenjuju agresivne kemikalije u procesima poput “stone-washing” traperica (korištenje celulaznih enzima za izbljeđivanje trapera) i bio-poliranja tkanina (za sprječavanje stvaranja dlačica). Ovi enzimi su inženjerski prilagođeni da izdrže uvjete tekstilne obrade (npr. visoke mehaničke sile i specifičan pH). Lagana industrija primjene enzima – uključujući uklanjanje dlaka s kože, izbjeljivanje celuloze i papira te proizvodnju biogoriva iz poljoprivrednog otpada – znatno su se proširile s inženjerskim enzimima labinsights.nl.
• Biogoriva i energija: Enzimi su ključni za pretvaranje biomase (poput ostataka usjeva, drva ili algi) u biogoriva. Celulaze koje razgrađuju celulozu u šećere presudne su za proizvodnju celuloznog etanola (obnovljivog goriva). Prirodne celulaze nisu bile dovoljno učinkovite ili bi se raspale iznad 50 °C. Inženjeringom sada imamo mješavine celulaza koje podnose visoke temperature i kisela predtretiranja, udvostručujući prinose šećera iz biomase. To čini proizvodnju biogoriva isplativijom. U jednom pokušaju, znanstvenici su poboljšali stabilnost enzima za razgradnju drva tako da može preživjeti predtretman biljnog materijala i nastaviti raditi, čime su znatno smanjili troškove. Također se radi na enzimima za biodizel (lipaze koje pretvaraju biljna ulja u biodizel) kako bi taj proces bio čišći i enzimi se mogli ponovno koristiti. Sažetak labinsights navodi da je korištenje enzima za proizvodnju goriva poput vodika, metana, etanola i metanola iz biljnih materijala “novi način koji ljudi istražuju” za održivu energiju labinsights.nl. Inženjerski enzimi ekstremofila (iz mikroba koji vole toplinu) ovdje su posebno vrijedni, jer industrijski reaktori za biogoriva često rade na visokim temperaturama.
• Kemijska sinteza (“zelena kemija”): Vidjeli smo na primjeru sitagliptina kako enzimi mogu zamijeniti metalne katalizatore. Mnoge fine kemikalije i prekursori plastike također se mogu proizvoditi biokatalizom ako je enzim dovoljno dobar. Inženjering enzima proizveo je esteraze i lipaze za proizvodnju estera za kozmetiku i arome hrane (zamjenjujući korozivne kisele katalizatore), transaminaze i ketoreduktaze za kiralnu kemijsku sintezu u farmaciji (proizvodeći molekule s jednom konfiguracijom visoke čistoće), pa čak i nitrilaze za proizvodnju organskih kiselina bez opasnih kiselina. Pregled koji je napravilo Američko kemijsko društvo istaknuo je da inženjerski enzimi sada izvode kemijske reakcije za koje se nekad smatralo da su biološki nemoguće, omogućujući jedinstepene puteve do spojeva za koje je prije bilo potrebno više koraka aiche.org. Ovaj trend čini proizvodnju ne samo zelenijom, već često i jeftinijom, jer procesi zahtijevaju manje pročišćavanja i odvijaju se pri sobnom tlaku.

Inženjering enzima za ekološka rješenja

Možda je najinspirativnije kako se inženjering enzima primjenjuje u borbi protiv zagađenja i pomoći okolišu:

• Enzimi koji jedu plastiku: Godine 2016. japanski znanstvenici otkrili su bakteriju (Ideonella sakaiensis) koja je evoluirala da jede PET plastiku (čestu u bocama za vodu) theguardian.com. Ona proizvodi enzim nazvan PETase koji može razgraditi PET na njegove gradivne blokove. Međutim, prirodni enzim bio je spor – trebalo je tjednima da razgradi mali komad plastike theguardian.com. Tu nastupaju inženjeri enzima: više istraživačkih grupa diljem svijeta počelo je mutirati i razvijati PETazu kako bi je učinili bržom i stabilnijom. Do 2020. tim je stvorio mutant koji je bio oko 6 puta brži. Zatim je 2022. godine došlo do proboja na Sveučilištu Texas u Austinu, gdje je razvijena varijanta PETaze nazvana FAST-PETase koja je mogla depolimerizirati plastični otpad za samo 24 sata pod umjerenim uvjetima news.utexas.edun. Ovaj enzim je dizajniran pomoću algoritma strojnog učenja (za prepoznavanje korisnih mutacija), a zatim testiran i poboljšan u laboratoriju news.utexas.edu. Hal Alper, voditelj projekta, rekao je “Mogućnosti su beskrajne u raznim industrijama za iskorištavanje ovoga… Kroz ove održivije enzimske pristupe možemo početi zamišljati pravu kružnu ekonomiju plastike.” news.utexas.edu. Drugim riječima, enzimi bi nam mogli omogućiti beskonačnu reciklažu plastike razgrađujući je na sirovine i ponovno je sintetizirajući, umjesto da je odlažemo ili spaljujemo. Ovo je prekretnica u borbi protiv zagađenja plastikom. Kako je drugi istraživač, Andy Pickford, primijetio o izvornom PETase enzimu: “enzim Ideonella je zapravo vrlo rano u svom evolucijskom razvoju… Cilj je ljudskih znanstvenika da ga dovedu do kraja.” theguardian.com Svjedočimo upravo tome – evoluciji pod vodstvom čovjeka koja sporog “grickalicu” plastike pretvara u proždrljivog reciklatora plastike. Tvrtke i startupovi (poput Protein Evolution, prema Forbesovom izvješću iz 2023.) sada koriste umjetnu inteligenciju i usmjerenu evoluciju za stvaranje enzima koji probavljaju razne plastike i polimere, potencijalno rješavajući naše probleme s otpadom na odlagalištima i u oceanima pmc.ncbi.nlm.nih.gov.
• Čišćenje okoliša: Osim plastike, inženjerski enzimi mogu razgraditi i druge zagađivače. Na primjer, enzimi zvani laksaze i peroksidaze (iz gljiva i bakterija) mogu razgraditi toksične boje u otpadnim vodama tekstilne industrije, pa čak i neke pesticide. Ovi enzimi su poboljšani kako bi bili stabilniji u prisutnosti zagađivača i kako bi radili pri višim pH vrijednostima industrijskih otpadnih voda phys.org. Druga meta su naftne mrlje – znanstvenici poboljšavaju enzime poput alkanske hidroksilaze koji razgrađuju ugljikovodike u nafti, kako bi pomogli bioremedijaciji izlijevanja. U tijeku su istraživanja enzima koji bi mogli razgraditi PFAS (“vječne kemikalije”) – vrlo stabilne kemijske zagađivače – inženjeringom prirodnih enzima koji napadaju slične veze. Iako je izazovno, nekoliko laboratorija je izvijestilo o početnom uspjehu u inženjeringu enzima za sporu razgradnju određenih PFAS spojeva (granično područje istraživanja od 2025.).
• Uklanjanje ugljika i klima: Enzimi bi mogli pomoći čak i u borbi protiv klimatskih promjena. Jedna ideja je korištenje enzima za vezanje ugljika (poput rubiska ili karbonske anhidraze) za učinkovitije hvatanje CO₂. Prirodni rubisko u biljkama nije jako brz, pa su ga znanstvenici pokušali poboljšati ili prenijeti učinkovitije verzije iz bakterija u poljoprivredne biljke. Napredak je skroman, ali čak i mali dobici u učinkovitosti vezanja CO₂ mogli bi poboljšati prinose usjeva ili proizvodnju biogoriva. Karbonska anhidraza, koja pretvara CO₂ u bikarbonat, prilagođena je za rad u industrijskim rješenjima za hvatanje ugljika, pomažući u zadržavanju CO₂ iz ispušnih plinova elektrana. Pregled iz 2023. istaknuo je korištenje inženjerskih enzima za poboljšanje hvatanja i iskorištavanja ugljika, navodeći to kao ključno područje za održivost pmc.ncbi.nlm.nih.gov, longdom.org. Iako sami enzimi neće riješiti klimatske promjene, oni su vrijedne komponente u alatu za upravljanje ugljikom i stvaranje ugljično neutralnih goriva (putem enzimatske reciklaže CO₂ u kemikalije).
• Pročišćavanje otpadnih voda: Enzimi se koriste za obradu kanalizacije i otpadnih tokova razgradnjom organske tvari i toksina. Na primjer, organofosfatne hidrolaze su poboljšane za razgradnju živčanih otrova i pesticida u vodi. Nitrilaze i dehidrogenaze mogu detoksificirati industrijska otapala. Poboljšanjem aktivnosti i raspona ovih enzima, postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda mogu učinkovitije neutralizirati štetne kemikalije prije ispuštanja vode. U jednom slučaju, istraživači su inženjerski prilagodili enzim za razgradnju uobičajenog zagađivača podzemnih voda (1,2-dikloroetan), postižući bržu dekontaminaciju. Enzimi nude pristup bioremedijaciji koji se ponekad može provesti na licu mjesta jednostavnim dodavanjem enzima ili mikroorganizama koji ga proizvode.

Od industrijske katalize do čišćenja okoliša, inženjering enzima pruža čišća, sigurnija i često jeftinija rješenja. To je u skladu s principima održivosti – korištenje obnovljivih bioloških katalizatora umjesto agresivnih kemikalija. Kako je to izrazila Kraljevska švedska akademija, dobitnici Nobelove nagrade 2018. pokazali su kako usmjerena evolucija može stvoriti “proteine koji rješavaju kemijske probleme čovječanstva” businessinsider.com. To vidimo na djelu u ovim primjerima: bilo da je “kemijski problem” zagađujući tvornički proces ili toksični zagađivač, inženjerski enzimi preuzimaju ulogu rješavača problema.

Za snažan nedavni primjer, razmotrimo što je rekao Andrew Ellington (biokemičar uključen u rad na FAST-PETase): “Ovaj rad zaista pokazuje snagu povezivanja različitih disciplina, od sintetske biologije do kemijskog inženjerstva i umjetne inteligencije.” news.utexas.edu Inženjering enzima zaista se nalazi na raskrižju disciplina – a uspjesi poput enzima koji razgrađuje plastiku svjedoče o toj snazi suradnje.

Nedavni proboji (2024.–2025.) i budući pogled

Od 2024.–2025., inženjering enzima napreduje nevjerojatnom brzinom, zahvaljujući novim tehnologijama. Evo nekoliko glavnih trendova i proboja u posljednjih godinu-dvije, koji pokazuju kamo polje ide:

• Enzimi dizajnirani pomoću AI-a: Velika prekretnica dogodila se početkom 2023. kada su istraživači izvijestili o prvim enzimima u potpunosti stvorenima AI dizajnom koji djeluju jednako dobro kao i prirodni newsroom.uw.edu. Trenirajući modele dubokog učenja na bazama podataka sekvenci proteina, znanstvenici sada mogu generirati nove strukture enzima prilagođene za vezanje specifičnih molekula. Rad u časopisu Nature “De novo design of luciferases using deep learning” to je pokazao proizvodnjom enzima koji emitiraju svjetlost (luciferaze) za odabrane kemijske supstrate newsroom.uw.edu. Ovi enzimi dizajnirani pomoću AI-a, nakon određene laboratorijske dorade, zapravo su bili učinkovitiji od nekih pronađenih u prirodi newsroom.uw.edu. Ovo otkriće sugerira da bi u bliskoj budućnosti, ako imate na umu kemijsku reakciju, mogli zatražiti od AI-a da “zamislite” enzim za nju. Kako je dr. David Baker napomenuo, to bi moglo omogućiti prilagođene enzime za gotovo svaku reakciju, što bi koristilo “biotehnologiji, medicini, sanaciji okoliša i proizvodnji” newsroom.uw.edu. Nekoliko startupa (poput Catalyze i ProteinQure) sada djeluje na ovom području, s ciljem skraćivanja ciklusa razvoja enzima pomoću algoritama.
• Sustavi kontinuirane evolucije: Tradicionalna usmjerena evolucija je postupna i zahtijeva puno rada – mutiraj, eksprimiraj, provjeri, ponovi. Nove metode to automatiziraju, poput sustava kontinuirane usmjerene evolucije u kojima bakterije ili fagi mutiraju ciljani gen u stvarnom vremenu dok se repliciraju. U 2024. istraživači su predstavili poboljšane sustave (poput MutaT7 i drugih) koji mogu evoluirati enzime unutar živih stanica kontinuirano, dramatično ubrzavajući proces biorxiv.org, sciencedirect.com. Jedna takva metoda povezala je aktivnost enzima s rastom stanica, tako da preživljavaju i razmnožavaju se samo stanice s boljim enzimom – elegantna selekcija koja je trajala mnogo generacija i dovela do visoko optimiziranog enzima u nekoliko dana umjesto mjeseci journals.asm.org. Automatizacija i mikrofluidika također se koriste za provođenje usmjerene evolucije uz minimalnu ljudsku intervenciju, što bi u budućnosti moglo optimizaciju enzima učiniti gotovo potpuno robotskim procesom.
• Hibridni pristupi (strojno učenje + evolucija): Znanstvenici kombiniraju umjetnu inteligenciju s laboratorijskom evolucijom u petlji. U jednom izvješću iz 2022., model strojnog učenja usmjeravao je koje mutacije napraviti (učeći iz podataka svake runde), a ova usmjerena evolucija postigla je bolji enzim s manje rundi molecularbiosci.utexas.edu. Ovaj pristup “aktivnog učenja” postaje popularan – algoritam predviđa obećavajuće mutacije, one se testiraju, podaci se vraćaju natrag, a model ažurira svoja predviđanja. To može smanjiti veličinu biblioteka i usmjeriti se na korisne promjene. Kako skupovi podataka o enzimima rastu, ovi modeli postaju pametniji. Možemo očekivati da će do 2025. i kasnije većina kampanja usmjerene evolucije u određenoj mjeri koristiti umjetnu inteligenciju, čineći pretrage učinkovitijima.
• Proširenje enzimskog alata: Otkrivaju se novi enzimi iz ekstremnih okoliša (topli izvori, dubokomorski otvori, polarni led) koji imaju zanimljive sposobnosti (tzv. ekstremoenzimi). Godine 2024. jedna je grupa izvijestila o inženjeringu enzima iz dubokomorskog mikroba koji može funkcionirati u industrijskoj katalizi na 5 °C, otvarajući mogućnosti za procese koji štede energiju (nema potrebe za zagrijavanjem reaktora) pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Također, fokus je i na umjetnim enzimima – to uopće nisu proteini, već dizajnirane molekule (poput DNA enzima ili peptidnih katalizatora). Ipak, proteinski enzimi i dalje su glavni “radni konji” zbog evolucijske prednosti.
• Rješavanje medicinskih izazova: Inženjering enzima ostaje na čelu medicinskih inovacija. Nedavno otkriće (2025.) uključivalo je dizajnirani enzim koji može prijeći krvno-moždanu barijeru i razgraditi toksični metabolit u mozgu, nudeći potencijalni tretman za rijetku neurološku bolest (ovo je hipotetski primjer aktivnog smjera istraživanja). Također, krajem 2024. znanstvenici su izvijestili o visoko evoluiranom CRISPR-Cas varijanti enzima koja ima izuzetno nisku aktivnost na neželjenim mjestima, čineći gensko uređivanje preciznijim – ta varijanta dobivena je usmjerenom evolucijom i mogla bi poboljšati sigurnost CRISPR terapija.
• Regulativa i javno prihvaćanje: S velikom moći dolazi i odgovornost, pa napomena o budućnosti nije potpuna bez spominjanja regulative i percepcije javnosti. Inženjerski enzimi koji se koriste u hrani ili ispuštaju u okoliš prolaze sigurnosne procjene. Regulatori u EU i SAD-u uglavnom su podržavajući, jer enzimski proizvodi često zamjenjuju agresivnije kemikalije. Ipak, enzimi proizvedeni GMO mikrobima moraju biti označeni u nekim jurisdikcijama. Javno prihvaćanje je visoko kada su koristi (npr. manje zagađenja, bolja prehrana) jasne, ali transparentnost je ključna. Stručnjaci predviđaju “rastuću zabrinutost oko regulatornog okvira” kako sve više proizvoda iz inženjerskih mikroba ulazi u prehranu i poljoprivredu khni.kerry.com. Komunikacija o sigurnosti i prednostima enzimskih tehnologija bit će stalan zadatak.

Zaključno, inženjering enzima doživljava val tehnološkog napretka i vjerojatno ćemo vidjeti još brži i radikalniji razvoj u nadolazećim godinama. Kako je jedan naslov iz 2023. rekao, “Znanstvenici koriste AI za osmišljavanje umjetnih enzima” singularityhub.com – i ti snovi postaju stvarnost u laboratoriju. Sinergija biologije i tehnologije ovdje je duboka: evolucija (prirodni algoritam dizajna) sada je nadopunjena ljudskim algoritmima dizajna.

Završne misli

Inženjering enzima možda nije toliko poznat široj javnosti kao uređivanje gena ili AI, ali njegov je utjecaj vjerojatno jednako dalekosežan. Iskorištavanjem i poboljšavanjem prirodnih katalizatora, mijenjamo industrije koje utječu na svaki aspekt svakodnevnog života – od lijekova koje uzimamo, hrane koju jedemo, odjeće koju nosimo, do okoliša u kojem živimo. I to se događa na način koji često čini te procese čišćima i održivijima.

Kako je rekla nobelovka Frances Arnold: “Inovacija kroz evoluciju: donošenje nove kemije u život.” aiche.org Inženjering enzima utjelovljuje tu frazu. Koristi inovacije nadahnute evolucijom kako bi stvorio novu kemiju – bilo da se radi o lijeku koji spašava živote ili enzimu koji razgrađuje plastiku. Ovo područje ima bogatu povijest otkrića i trenutno vrvi inovacijama kao nikada prije. Od 2025. svjedočimo transformaciji načina na koji rješavamo probleme pomoću biologije. Inženjeri enzima, u suštini, stvaraju rješenja koja su pametnija, zelenija i više usklađena sa samim životom. A ova revolucija enzima tek počinje.

Izvori: Pregled i definicija inženjerstva enzima khni.kerry.com, nobelprize.org; Nobelova nagrada i pogledi na usmjerenu evoluciju businessinsider.com; stručni citati i otkrića u usmjerenoj evoluciji enzima businessinsider.com, aiche.org; enzimi dizajnirani pomoću umjetne inteligencije i najnovija dostignuća newsroom.uw.ed; industrijske i ekološke primjene uključujući razgradnju plastike news.utexas.edu; primjene u prehrambenoj industriji i poljoprivredi labinsights.nl, khni.kerry.com; povijesni razvoj od mutageneze usmjerene na mjesto do rada nagrađenog Nobelovom nagradom nobelprize.org, sigmaaldrich.com; i industrijski uvidi u buduće trendove pmc.ncbi.nlm.nih.gov, aiche.org. Svaki od ovih izvora ilustrira kako inženjerstvo enzima pokreće inovacije u medicini, biotehnologiji, proizvodnji hrane i održivosti okoliša.