Encimska revolucija: Kako inženiring naravnih katalizatorjev spreminja medicino, prehrano in planet

Globalni trg za industrijske encime je bil leta 2019 vreden približno 9 milijard dolarjev, do leta 2027 pa naj bi dosegel 13,8 milijarde dolarjev.
Usmerjena mutageneza, ki jo je v 70. letih 20. stoletja izumil Michael Smith, omogoča natančne spremembe posameznih aminokislin v encimih in mu je prinesla Nobelovo nagrado za kemijo leta 1993.
Frances Arnold je leta 1993 demonstrirala usmerjeno evolucijo z razvojem encima preko naključnih mutacij in selekcije, kar je bil mejnik, kasneje nagrajen z Nobelovo nagrado za kemijo leta 2018.
Merck in Codexis sta okoli let 2007–2010 razvila evoluiran encim za proizvodnjo sitagliptina, ki je dosegel 99,95 % selektivnost, 13 % večji izkoristek in 19 % manj kemičnih odpadkov.
Nagrada za zeleno kemijo leta 2010 je počastila delo na področju usmerjene evolucije, ki je omogočilo bolj zeleno farmacevtsko proizvodnjo, vključno z encimom Merck/Codexis za sitagliptin.
Leta 2018 so Frances Arnold, Gregory Winter in George Smith prejeli Nobelovo nagrado za kemijo za metode usmerjene evolucije in prikaza s fagi, ki omogočajo razvoj zdravil, biogoriv in katalizatorjev.
V reviji Nature je bil leta 2023 objavljen članek De novo design of luciferases using deep learning, ki prikazuje z umetno inteligenco zasnovane encime, ki oddajajo svetlobo in po laboratorijski optimizaciji lahko prekašajo nekatere naravne encime.
V letih 2022–2023 so raziskovalci z globokim učenjem zasnovali nove encime iz nič, vključno z luciferazami, kar nakazuje premik k oblikovanju encimov z umetno inteligenco.
Leta 2022 so raziskovalci z UT Austin razvili FAST-PETase, različico PETaze, ki lahko depolimerizira plastične odpadke v samo 24 urah v zmernih pogojih, zasnovano z algoritmom strojnega učenja.
Ob koncu leta 2024 so znanstveniki poročali o zelo evoluirani različici encima CRISPR-Cas z izjemno nizko aktivnostjo na nezaželenih mestih, kar povečuje varnost genske urejanja.

Predstavljajte si, da bi lahko naravne mikroskopske stroje preprogramirali za reševanje človeških problemov. Inženiring encimov je znanost o preoblikovanju encimov – proteinov, ki katalizirajo kemijske reakcije življenja – tako, da imajo nove ali izboljšane funkcije. Preprosto povedano, to pomeni prilagajanje genetske kode encima, da bi ta deloval bolje ali drugače. Zakaj bi se s tem ukvarjali? Ker so encimi izjemni katalizatorji: pospešujejo kemijske reakcije v blagih pogojih, za razliko od mnogih industrijskih procesov, ki zahtevajo visoke temperature ali strupene kemikalije newsroom.uw.edu. Kot pojasnjuje biokemik David Baker, “Živa bitja so izjemni kemiki… uporabljajo encime za razgradnjo ali sintezo, kar potrebujejo, v blagih pogojih. Novi encimi bi lahko omogočili dostop do obnovljivih kemikalij in biogoriv” newsroom.uw.edu. Z drugimi besedami, če lahko inženiramo encime, pridobimo okolju prijazna orodja za revolucijo v proizvodnji, energetiki, medicini in še več.

Pomen inženiringa encimov se odraža v njegovi hitro rastoči rasti. Svetovni trg industrijskih encimov je bil leta 2019 vreden približno 9 milijard dolarjev in naj bi do leta 2027 dosegel 13,8 milijarde dolarjev pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Te “čudežne molekule” se že uporabljajo v vsem, od pralnih praškov do predelave hrane, povpraševanje pa narašča. Inženiring encimov nam omogoča, da encime potisnemo onkraj njihovih naravnih meja – da jih naredimo učinkovitejše, bolj robustne ali prilagojene za opravljanje novih nalog. To ima velik pomen: od proizvodnje zdravil in bolj zelenih plastik do čiščenja onesnaženja. Kot je poudarila Kraljeva švedska akademija ob podelitvi Nobelove nagrade za kemijo leta 2018, so znanstveniki “uporabili ista načela – genetske spremembe in selekcijo – za razvoj proteinov, ki rešujejo kemične probleme človeštva” businessinsider.com. Skratka, z izkoriščanjem evolucije in bioinženiringa inženirji encimov spreminjajo celotne industrije in se lotevajo globalnih izzivov.

V nadaljevanju bomo razložili, kaj je inženiring encimov, kako deluje, njegovo zgodovino in glavne tehnike ter številne načine, kako spreminja področja, kot so medicina, kmetijstvo, prehrana, biotehnologija in okoljske znanosti. Izpostavili bomo tudi najnovejše preboje (2024–2025) in citate strokovnjakov, ki vodijo to revolucijo.

Kaj je inženiring encimov?

V svojem bistvu inženiring encimov (področje inženiringa proteinov) pomeni spreminjanje strukture encima, da bi spremenili njegovo funkcijo ali učinkovitost khni.kerry.com. Encimi so verige aminokislin, zvite v kompleksne 3D oblike. Njihova oblika in kemija določata, katero reakcijo katalizirajo – na primer razgradnjo škroba v sladkor ali kopiranje DNK. Inženirji encimov spremenijo zaporedje aminokislin encima (s spremembo DNK kode), tako da postane encim bolj primeren za določeno nalogo ali celo katalizira novo reakcijo. S tem lahko izboljšajo lastnosti, kot so aktivnost (hitrost), specifičnost (izbira ene tarče pred drugimi), stabilnost (delovanje v zahtevnih pogojih) ali vse našteto khni.kerry.com.

Kako znanstveniki spreminjajo encime? Obstajata dve glavni strategiji:

Racionalno načrtovanje (usmerjena mutageneza): Če veste, kateri del encima vpliva na njegovo funkcijo, lahko namenoma spremenite določene aminokisline. To tehniko, ki jo je v osemdesetih letih 20. stoletja uvedel Michael Smith (Nobelova nagrada 1993), imenujemo usmerjena mutageneza – v bistvu ciljno genetsko urejanje gena za encim nobelprize.org. To je kot operacija na DNK encima: raziskovalci določijo “pozicijo” na encimu, ki jo želijo prilagoditi, mutirajo tisto črko DNK (kodon) in tako zamenjajo eno aminokislino z drugo v encimu. Ta metoda je bila revolucionarna, ker je omogočila “ponovno programiranje genetske kode” za izdelavo proteinov z novimi lastnostmi nobelprize.org. Sprva so jo znanstveniki uporabljali za raziskovanje strukture in funkcije encimov – npr. da so encim naredili bolj stabilen, da je lahko prenesel industrijske procese, ali pa so spremenili protitelo, da je lahko ciljalo rakave celice nobelprize.org. Vendar pa racionalno načrtovanje zahteva veliko znanja: predvideti morate, katere spremembe bodo imele koristen učinek, kar je težko zaradi kompleksnosti encimov. Kot je dejal eden izmed inženirjev encimov, je tudi danes “napovedovanje vpliva mutacij… skoraj nemogoče” zaradi zapletenih interakcij med številnimi deli encima aiche.org. Racionalno načrtovanje je pogosto vključevalo veliko izobraženega ugibanja.
Usmerjena evolucija: Ko ugibanje odpove, zakaj ne bi prepustili delo naravnemu algoritmu? Usmerjena evolucija je tehnika, ki posnema naravno selekcijo v laboratoriju, da bi razvili boljše encime. Namesto ene ciljno usmerjene spremembe znanstveniki naredijo naključne mutacije gena za encim in ustvarijo knjižnico tisočev različic. Nato te različice pregledujejo ali izbirajo, da najdejo tiste z izboljšano zmogljivostjo za določeno nalogo sigmaaldrich.com, businessinsider.com. Zmagovalce lahko ponovno mutirajo in tako ponavljajo cikel, podobno kot evolucija ustvarja bolje prilagojene organizme. Ta pristop je v devetdesetih letih 20. stoletja uvedla Frances Arnold, ki je za to leta 2018 prejela Nobelovo nagrado za kemijo. Frances Arnold je prepoznala, da je “način, kako se je večina ljudi lotevala inženiringa proteinov, obsojen na neuspeh,” zato je poskusila drugačno pot – “posnemanje naravnega procesa načrtovanja, torej evolucije” businessinsider.com. S tem, ko številni naključni mutanti tekmujejo v eksperimentu preživetja najmočnejših, lahko raziskovalci odkrijejo izboljšave encimov, na katere človek morda nikoli ne bi pomislil. Arnoldina mantra za to metodo je znamenita “Dobiš, kar testiraš” aiche.org – kar pomeni, da je ključ v oblikovanju dobrega testa za iskanje želene lastnosti. Usmerjena evolucija je “dramatično povečala hitrost sprememb”, ki so možne pri encimih, saj je milijone let naravne evolucije skrčila na tedne ali mesece v laboratoriju sigmaaldrich.com. Bila je izjemno uspešna: kot je poudaril Nobelov odbor, so znanstveniki z uporabo usmerjene evolucije razvili encime, ki se uporabljajo v “vsem, od okolju prijaznih detergentov in biogoriv do zdravil proti raku.” businessinsider.com

V praksi inženirji encimov pogosto združujejo te pristope. Morda uporabijo usmerjeno mutagenezo za nekaj premišljenih sprememb (»racionalni« pristop), nato pa izvedejo kroge usmerjene evolucije, ki jih presenetijo z dodatnimi izboljšavami. Sodobne metode vključujejo tudi računalniška orodja: bioinformatska analiza in računalniško podprto načrtovanje lahko predlagata, katere mutacije preizkusiti ali pomagata modelirati strukture encimov Predstavljajte si, da bi lahko preprogramirali naravne mikroskopske stroje za reševanje človeških problemov. Inženiring encimov je znanost o preoblikovanju encimov – proteinov, ki katalizirajo kemijo življenja – tako, da imajo nove ali izboljšane funkcije. Preprosto povedano, to pomeni prilagajanje genetske kode encima, da deluje bolje ali drugače. Zakaj bi se trudili? Ker so encimi izjemni katalizatorji: pospešujejo kemijske reakcije v blagih pogojih, za razliko od mnogih industrijskih procesov, ki zahtevajo visoke temperature ali strupene kemikalije newsroom.uw.edu. Kot pojasnjuje biokemik David Baker, »Živa bitja so izjemni kemiki… uporabljajo encime za razgradnjo ali izgradnjo vsega, kar potrebujejo, v blagih pogojih. Novi encimi bi lahko omogočili dostop do obnovljivih kemikalij in biogoriv« newsroom.uw.edu. Z drugimi besedami, če lahko inženiramo encime, pridobimo okolju prijazna orodja za revolucijo v proizvodnji, energiji, medicini in še več.

Pomen inženiringa encimov se odraža v njegovi hitri rasti. Svetovni trg industrijskih encimov je bil leta 2019 vreden približno 9 milijard dolarjev in naj bi do leta 2027 dosegel 13,8 milijarde dolarjev pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Te »čudežne molekule« se že uporabljajo v vsem, od pralnih praškov do predelave hrane, povpraševanje pa narašča. Inženiring encimov nam omogoča, da presežemo naravne omejitve encimov – da jih naredimo učinkovitejše, robustnejše ali prilagojene za nova opravila. To ima velik pomen: od proizvodnje zdravil in bolj zelenih plastik do čiščenja onesnaženja. Kot je zapisala Švedska kraljeva akademija ob podelitvi Nobelove nagrade za kemijo leta 2018, so znanstveniki »uporabili ista načela – genetske spremembe in selekcijo – za razvoj proteinov, ki rešujejo kemične probleme človeštva« businessinsider.com. Skratka, z uporabo evolucije in bioinženiringa inženirji encimov spreminjajo celotne industrije in se spopadajo z globalnimi izzivi.

V nadaljevanju bomo razložili, kaj je inženiring encimov, kako deluje, njegovo zgodovino in glavne tehnike ter številne načine, kako spreminja področja, kot so medicina, kmetijstvo, prehrana, biotehnologija in okoljske vede. Izpostavili bomo tudi najnovejše preboje (2024–2025) in citate strokovnjakov, ki vodijo to revolucijo.

Kaj je inženiring encimov?

V svojem bistvu inženiring encimov (področje inženiringa beljakovin) pomeni spreminjanje strukture encima, da bi spremenili njegovo funkcijo ali učinkovitost khni.kerry.com. Encimi so verige aminokislin, zvite v zapletene 3D oblike. Njihova oblika in kemija določata, katero reakcijo katalizirajo – na primer razgradnjo škroba v sladkor ali kopiranje DNK. Inženirji encimov spremenijo zaporedje aminokislin v encimu (s spremembo DNK kode), tako da encim postane bolj primeren za določeno nalogo ali celo katalizira novo reakcijo. S tem lahko izboljšajo lastnosti, kot so aktivnost (hitrost), specifičnost (izbira ene tarče pred drugimi), stabilnost (delovanje v zahtevnih pogojih) ali vse našteto khni.kerry.com.

Kako znanstveniki spreminjajo encime? Obstajata dve glavni strategiji:

Racionalno načrtovanje (usmerjena mutageneza): Če veste, kateri del encima vpliva na njegovo funkcijo, lahko namenoma spremenite določene aminokisline. To tehniko, ki jo je v 80. letih 20. stoletja uvedel Michael Smith (Nobelova nagrada 1993), imenujemo usmerjena mutageneza – v bistvu ciljno genetsko urejanje gena za encim nobelprize.org, nobelprize.org. To je kot operacija na DNK encima: raziskovalci določijo “položaj” v encimu, ki ga želijo prilagoditi, spremenijo tisto črko DNK (kodon) in tako zamenjajo eno aminokislino z drugo v encimu. Ta metoda je bila revolucionarna, ker je omogočila “ponovno programiranje genetske kode” za izdelavo beljakovin z novimi lastnostmi nobelprize.org. Sprva so jo znanstveniki uporabljali za raziskovanje strukture in funkcije encimov – npr. za povečanje stabilnosti encima, da bi zdržal industrijske procese, ali za spremembo protitelesa, da bi lahko ciljalo rakave celice nobelprize.org. Vendar pa racionalno načrtovanje zahteva veliko znanja: predvideti morate, katere spremembe bodo imele koristen učinek, kar je težko zaradi zapletenosti encimov. Kot je pripomnil eden izmed inženirjev encimov, je tudi danes “napovedovanje vpliva mutacij… skoraj nemogoče” zaradi izjemno zapletenih interakcij med številnimi deli encima aiche.org. Racionalno načrtovanje je pogosto vključevalo veliko izobraženega ugibanja.
Usmerjena evolucija: Ko ugibanje odpove, zakaj ne bi prepustili dela naravnemu algoritmu? Usmerjena evolucija je tehnika, ki posnema naravno selekcijo v laboratoriju, da razvije boljše encime. Namesto ene ciljno usmerjene spremembe znanstveniki naredijo naključne mutacije v genu za encim in ustvarijo knjižnico tisočev različic. Nato te različice pregledujejo ali izbirajo, da najdejo tiste z izboljšano zmogljivostjo za določeno nalogo sigmaaldrich.com, businessinsider.com. Zmagovalce lahko ponovno mutirajo in ponavljajo cikel, podobno kot evolucija ustvarja bolje prilagojene organizme. Ta pristop je v devetdesetih letih 20. stoletja uvedla Frances Arnold, ki je za to leta 2018 prejela Nobelovo nagrado za kemijo. Frances Arnold je prepoznala, da je “način, kako se je večina ljudi lotevala inženiringa proteinov, obsojen na neuspeh,” zato je poskusila drugačno pot – “posnemanje naravnega procesa oblikovanja, torej evolucije” businessinsider.com. S tem, ko številni naključni mutanti tekmujejo v eksperimentu preživetja najmočnejših, lahko raziskovalci odkrijejo izboljšave encimov, na katere človek morda nikoli ne bi pomislil. Arnoldin moto za to metodo je znameniti “Dobiš tisto, kar testiraš” aiche.org – kar pomeni, da je ključ v oblikovanju dobrega testa za iskanje želene lastnosti. Usmerjena evolucija je “dramatično povečala hitrost sprememb”, ki so možne pri encimih, saj je tisto, kar bi v naravi trajalo milijone let, v laboratoriju mogoče doseči v tednih ali mesecih sigmaaldrich.com. Bila je izjemno uspešna: kot je poudaril Nobelov odbor, so znanstveniki z uporabo usmerjene evolucije razvili encime, ki se uporabljajo v “vsem, od okolju prijaznih detergentov in biogoriv do zdravil proti raku.”businessinsider.com

V praksi inženirji encimov pogosto združujejo te pristope. Morda uporabijo usmerjeno mutagenezo za nekaj premišljenih sprememb (»racionalni« pristop), nato pa izvedejo kroge usmerjene evolucije, ki jih presenetijo z nadaljnjimi izboljšavami. Sodobne metode vključujejo tudi računalniška orodja: bioinformatična analiza in računalniško podprto načrtovanje lahko predlagata, katere mutacije poskusiti ali pomagata modelirati strukture encimov pmc.ncbi.nlm.nih.gov. V zadnjih letih napredek na področju strojnega učenja in umetne inteligence omogoča novo strategijo: načrtovanje novih encimov na računalniku povsem iz nič. Leta 2023 so na primer raziskovalci z Inštituta za načrtovanje proteinov Univerze v Washingtonu uporabili globoko učenje za izum novih encimov (luci-feraz, ki oddajajo svetlobo), ki v naravi nikoli niso obstajali newsroom.uw.edu. Eden vodilnih znanstvenikov, Andy Hsien-Wei Yeh, je dejal »Uspelo nam je iz nič načrtovati zelo učinkovite encime na računalniku… Ta preboj pomeni, da bi lahko bili po meri narejeni encimi za skoraj vsako kemijsko reakcijo načrtovani.« newsroom.uw.edu. Takšno de novo načrtovanje encimov je bilo pred desetletjem oddaljene sanje – zdaj postaja resničnost in odpira vrata v dobo z AI načrtovanih encimov.

Kratek zgodovinski pregled inženiringa encimov

Encime ljudje uporabljamo že tisočletja (čeprav pogosto nezavedno) – pomislite na starodavno pivovarstvo, sirarstvo ali fermentacijo kruha, kjer delo opravijo naravni encimi v mikrobih. Znanstveno razumevanje encimov pa se je začelo v 19. stoletju s študijami prebave in kemije fermentacije pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Do sredine 20. stoletja so znanstveniki ugotovili, da so encimi proteini, in razvozlali njihove osnovne strukture ter način kataliziranja reakcij. To je postavilo teoretične temelje za inženiring encimov pmc.ncbi.nlm.nih.gov: če razumemo strukturo encima, jo lahko prilagodimo svojim potrebam?

Področje je resnično zaživelo v poznih 20. stoletju zaradi prebojev v molekularni biologiji. Dva z Nobelovo nagrado nagrajena dosežka v 70. in 80. letih sta postavila temelje:

Tehnologija rekombinantne DNK (genski inženiring): Orodja za rezanje, spajanje in kloniranje DNK (pionirji Paul Berg, Herbert Boyer, Stanley Cohen itd.) so pomenila, da so znanstveniki lahko izolirali in spreminjali gene za encime. Do 80. let je postalo mogoče proizvajati rekombinantne encime – na primer izdelavo človeškega insulina ali industrijskih encimov v bakterijah ali kvasovkah, kar je encime naredilo veliko bolj dostopne za eksperimentiranje in uporabo.
Usmerjena mutageneza: To metodo je v 1970-ih izumil Michael Smith in je omogočila namerne spremembe posameznih črk v DNK nobelprize.org. Za to je Michael Smith prejel Nobelovo nagrado za kemijo leta 1993. Nenadoma so biokemiki lahko ustvarili specifično mutacijo v encimu in opazovali učinek, kar je močno izboljšalo razumevanje povezave med strukturo in funkcijo encimov. V sporočilu za javnost ob Nobelovi nagradi leta 1993 je bilo zapisano, da »je s Smithovo metodo mogoče ponovno programirati genetsko kodo … in zamenjati določene aminokisline v beljakovinah. …možnosti za konstruiranje beljakovin z novimi lastnostmi so se [temeljito] spremenile.« nobelprize.org To je bil začetek namernega načrtovanja beljakovin. Zgodnji uspehi so vključevali prilagajanje encimov za prenašanje višjih temperatur ali inženiring protiteles (ki so vezavne beljakovine) za ciljanje tumorjev nobelprize.org – prvinske oblike beljakovin po meri za medicino in industrijo.

Vendar pa je bil racionalni dizajn v tistih časih omejen zaradi našega nepopolnega znanja. V 1980-ih je veliko znanstvenikov poskušalo »preseči evolucijo« z analizo struktur encimov in napovedovanjem koristnih mutacij, vendar so pogosto naleteli na frustracije aiche.org. Izkazalo se je, da so encimi zelo kompleksni; sprememba enega dela je pogosto imela nepredvidljive učinke na celoto. Kot je zapisano v enem pregledu, so raziskovalci ugotovili, da »encimov ni tako enostavno razumeti« – »večina polipeptidne verige« okoli aktivnega mesta je prav tako pomembna za funkcijo aiche.org. Do poznih 1980-ih so bili z izključno racionalnimi spremembami encimov doseženi le skromni napredki.

Preboj je prišel v zgodnjih 1990-ih z usmerjeno evolucijo. Leta 1993 je Frances H. Arnold – razočarana nad neuspelimi racionalnimi zasnovami – objavila prvo demonstracijo evolucije encima z naključnimi mutacijami in presejanjem za boljše delovanje. V devetdesetih in dvatisočih letih so tehnike usmerjene evolucije zacvetele, k čemur so pripomogle iznajdbe, kot sta error-prone PCR (za enostavno uvajanje naključnih mutacij) in DNA shuffling (rekombinacija delov genov za združevanje koristnih mutacij) sigmaaldrich.com. Raziskovalci so razvili tudi metode za visokozmogljivo presejanje in domiselne selekcije za iskanje želenih lastnosti v knjižnicah encimov. Usmerjena evolucija se je izkazala za izjemno močno pri optimizaciji aktivnosti, specifičnosti, stabilnosti encimov, karkoli želite. Ni zahtevala podrobnega predhodnega znanja – le dober sistem za ustvarjanje raznolikosti in iskanje zmagovalcev. V naslednjih dveh desetletjih je ta pristop revolucioniral inženiring encimov tako v akademskem kot industrijskem okolju. Encime so razvili za izvajanje novih reakcij (tudi takih, ki jih v naravi ne poznamo), za delovanje v nenaravnih okoljih (kot so strupena topila ali ekstremni pH) in za izboljšanje industrijskih procesov. »Evolucija je preprost in izjemno močan algoritem mutacije in selekcije,« kot je zapisal en članek – in zdaj so inženirji lahko ta algoritem uporabili po lastni volji aiche.org. S tem, ko uvedemo selekcijo za tisto, kar želimo, v bistvu spodbudimo naravo, da izumi rešitve za nas.Prelomni dosežek v resničnem svetu je bil razvoj izboljšanega encima za sintezo zdravil pri podjetju Merck (okoli 2007–2010). Merck je v sodelovanju z biotehnološkim podjetjem Codexis uporabil usmerjeno evolucijo za izboljšanje encima za proizvodnjo zdravila za sladkorno bolezen sitagliptin. Končni encim (po več krogih evolucije) je izvedel ključen kemijski korak z 99,95-odstotno selektivnostjo in visokim izkoristkom, nadomestil katalizator iz težkih kovin in izločil več korakov aiche.org. Encimski postopek je povečal skupni izkoristek za 13 % in zmanjšal kemične odpadke za 19 %, hkrati pa odpravil potrebo po vodiku pod visokim tlakom in strupenih kovinah aiche.org. To je bil mejnik, ki je pokazal, da lahko inženirsko oblikovani encimi naredijo proizvodnjo farmacevtskih izdelkov bolj zeleno in učinkovito – Arnoldova in sodelavci so za to leta 2010 prejeli prestižno nagrado za zeleno kemijo. Do leta 2018 je bil vpliv usmerjene evolucije tako globok, da so Frances Arnold, Gregory Winter in George Smith prejeli Nobelovo nagrado za kemijo. Winter in Smith sta razvila metode za evolucijo proteinov, kot so protitelesa, z uporabo prikaza na bakteriofagih, Arnoldova pa za encime – skupaj so dokazali, da lahko »izkoriščanje moči evolucije« prinese izume, kot so nova zdravila, biogoriva in katalizatorjibusinessinsider.com.

V 21. stoletju se je inženiring encimov le še pospešil. Konec 2010-ih in začetek 2020-ih je računalniško načrtovanje proteinov doseglo napredek (uporaba programske opreme, kot je Rosetta, za načrtovanje encimov za specifične reakcije) in vzpon UI v inženiringu proteinov. Z ogromnimi bazami podatkov o proteinih in strojnih učenjem lahko znanstveniki napovedujejo strukture encimov (zahvaljujoč prebojem, kot je AlphaFold) in celo ustvarjajo nove zaporedja encimov z želenimi funkcijami newsroom.uw.edu. V letih 2022–2023 so raziskovalci poročali o uporabi globokega učenja za ustvarjanje novih encimov iz nič (zlasti novih luciferaznih encimov, kot omenjeno zgoraj) newsroom.uw.edu. Medtem metode, kot sta kontinuirana usmerjena evolucija in avtomatizirano visokozmogljivo presejanje, pospešujejo evolucijski proces in ga delajo bolj avtomatiziranega biorxiv.org, sciencedirect.com. Inženiring encimov danes je bogata mešanica biologije, inženirstva in podatkovne znanosti – povsem drugače kot poskusi in napake iz preteklosti. Kot je zapisano v enem izmed industrijskih poročil iz leta 2024, smo šele na “vrhu ledene gore” pri izkoriščanju encimov – raziskan je bil le majhen delež možnih encimov, zato je potencial ogromen khni.kerry.com.

Ključne tehnike v inženiringu encimov

Inženirji encimov imajo na voljo nabor metod za ustvarjanje izboljšanih encimov. Tukaj je nekaj glavnih tehnik in kako delujejo:

Usmerjena mutageneza: Natančna metoda za spreminjanje določenih aminokislin v encimu. Znanstveniki oblikujejo kratek DNA začetnik z želeno mutacijo in ga uporabijo za kopiranje gena ter vnos spremembe. To je kot urejanje ene črke v načrtu. Odlično je za preverjanje hipotez (npr. “ali sprememba te glicina v alanin naredi encim bolj stabilen?”) in za fino nastavljanje aktivnih mest encima. Usmerjena mutageneza je bila prva metoda inženiringa proteinov in ostaja široko uporabljena nobelprize.org. Njena omejitev je, da moraš izbrati mutacijo – zato je uspeh odvisen od tega, kako dobra je tvoja domneva.
Usmerjena evolucija: Močna metoda, kot je bila opisana prej. Namesto ene ciljno usmerjene spremembe ustvarite veliko naključnih mutacij in izberete boljši encim. Ključni koraki vključujejo ustvarjanje knjižnice variant (prek napak polimerazne verižne reakcije (PCR), preurejanja DNA sorodnih genov ali drugih tehnik mutageneze sigmaaldrich.com) in sistem za presejanje ali selekcijo, da najdete izboljšane variante. Na primer, če želite hitrejši encim, lahko izbirate kolonije, ki hitreje spremenijo barvo substrata, ali če želite encim, ki deluje pri visokih temperaturah, izberete preživele po segrevanju. Usmerjena evolucija lahko prinese presenetljive izboljšave – encimi lahko pridobijo 100× večjo aktivnost ali se prilagodijo za delovanje v vreli vodi itd. Gre za poskusno-napako, ki jo vodi slepo iskanje evolucije, vendar je izjemno učinkovita. Kot je povzel en članek, “Usmerjena evolucija… povzroča naključne mutacije v genu zanimanja… posnema naravno evolucijo z uvedbo stroge selekcije za prepoznavanje proteinov z optimizirano funkcionalnostjo” sigmaaldrich.com. Ta metoda ne zahteva poznavanja strukture encima, kar je velika prednost.
Visoko zmogljivo presejanje in selekcija: To sicer niso inženirske metode same po sebi, vendar so ključne sestavine, zlasti pri usmerjeni evoluciji. Vključujejo tehnike za hitro testiranje tisočev variant encimov. Na primer: kolorimetrični testi v mikroploščah, sortiranje celic z aktivnimi encimi s fluorescenčno aktiviranim celičnim sortiranjem (FACS), prikaz na fagu za povezavo proteinov z DNA za selekcijo ali rastna komplementacija, kjer lahko bakterije rastejo le z izboljšanimi encimi pod določenimi pogoji sigmaaldrich.com. Boljša kot je vaša metoda presejanja (“dobiš tisto, kar preseješ” aiche.org), večja je verjetnost, da boste našli želeno varianto encima.
Imobilizacija in kemijska modifikacija: Včasih inženiring encima ni le spreminjanje njegovih aminokislin. Imobilizacija encimov je tehnika pritrjevanja encimov na trdne nosilce (kot so kroglice ali smola), kar lahko izboljša stabilnost in omogoči ponovno uporabo v industrijskih reaktorjih labinsights.n l. Čeprav se zaporedje encima ne spremeni, je to inženirski pristop, ki naredi encime bolj praktične (ne izperejo se in pogosto bolje prenašajo pogoje, ko so imobilizirani). Kemične modifikacije, kot je pritrjevanje polimerov (PEGilacija) ali navzkrižno povezovanje encimskih molekul, lahko prav tako izboljšajo lastnosti, kot sta stabilnost ali razpolovni čas v zdravilu. Te metode imenujemo “tehnologije encimov druge generacije” že od 70. let prejšnjega stoletja labinsights.nl, in dopolnjujejo genske modifikacije.
Računalniško (in silico) načrtovanje: Hitro rastoč pristop je uporaba računalniških algoritmov za načrtovanje novih encimov ali izboljšanje obstoječih. Z modeliranjem encimskih struktur in fizike njihovih aktivnih mest znanstveniki poskušajo napovedati mutacije, ki bi lahko ustvarile želeno aktivnost. Zgodnji poskusi v 2000-ih so pogosto spodleteli, a področje je napredovalo. Danes lahko programi načrtujejo encime za določene reakcije (kot je Diels-Alderjeva reakcija v znani študiji iz leta 2010), nato pa se ti načrti proizvedejo v laboratoriju in testirajo. Pomembno je, da strojno učenje zdaj pomaga krmariti po ogromnem “prostoru iskanja” možnih proteinskih variant. Leta 2022 je ekipa razvila model strojnega učenja z imenom MutCompute, ki je usmerjal mutacije za encim, ki razgrajuje plastiko, in mu uspešno močno izboljšal učinkovitost molecularbiosci.utexas.edu. In kot omenjeno, je leto 2023 prineslo prve z umetno inteligenco načrtovane encime, ki so izvajali novo kemijo newsroom.uw.edu. Računalniško načrtovanje je še vedno pogosto povezano z dejansko evolucijo/eksperimenti – umetna inteligenca lahko predlaga kandidate, laboratorijsko testiranje in izboljšave (tudi evolucija) pa jih nato potrdijo in izpopolnijo. Kljub temu je trend v smeri “inteligentnega” inženiringa encimov s pomočjo velikih podatkov. Strokovnjaki napovedujejo, da bodo v prihodnosti računalniki zanesljivo načrtovali “popoln encim” za določeno nalogo, s čimer se bo zmanjšala potreba po ogromnih knjižnicah za presejanje aiche.org – čeprav še nismo povsem tam.

Z združevanjem teh tehnik lahko raziskovalci zdaj optimizirajo encime na predvidljiv, ponovljiv način. Kot je povzel en pregled iz leta 2021, “je danes inženiring encimov zrela veda, ki lahko predvidljivo optimizira katalizator za želeni produkt… in širi obseg industrijskih aplikacij encimov.” aiche.org. Skratka, kar je bilo nekoč poskusno-eksperimentalno delo, postaja vse bolj racionalna, na podatkih temelječa inženirska disciplina.

Uporabe v medicini in farmaciji

Eden najbolj vznemirljivih vplivov inženiringa encimov je na področju medicine in razvoja zdravil. Encimi imajo vlogo v naših telesih in pri izdelavi številnih sodobnih zdravil. Z inženiringom encimov znanstveniki ustvarjajo nove terapije in izboljšujejo proizvodnjo zdravil:

Bolj zelena farmacevtska proizvodnja: Mnoga zdravila so kompleksne organske molekule, ki tradicionalno zahtevajo večstopenjsko sintetsko kemijo (pogosto s strupenimi reagenti ali dragimi pogoji). Inženirsko izboljšani encimi lahko te pretvorbe izvedejo bolj čisto. Značilen primer je proizvodnja sitagliptina (Januvia) za sladkorno bolezen: Merck je optimiziral encim z usmerjeno evolucijo, da je nadomestil kemični katalizator v proizvodnem procesu. Rezultat je bila učinkovitejša reakcija z večjim izkoristkom in manj nevarnimi odpadki aiche.org. Ta uspeh je pokazal, da je bilo “ključnega pomena inženirstvo encimov” za poenostavitev zahtevne kemijske sinteze, saj so z uporabo izboljšanega encima dosegli 13 % večji izkoristek in 19 % manj odpadkov aiche.org. Od takrat je veliko farmacevtskih podjetij sprejelo encimske katalizatorje za proizvodnjo zdravil (na primer pri izdelavi zdravila za zniževanje holesterola atorvastatina in drugih), kar je bistveno zmanjšalo vpliv na okolje in stroške.
Encimske terapije: Nekatere bolezni povzroča pomanjkanje ali nepravilno delovanje encimov v telesu (na primer lizosomske bolezni shranjevanja, kjer bolniku manjka določen encim za razgradnjo določenih metabolitov). Inženiring encimov omogoča zasnovo nadomestnih encimskih terapij, ki so varnejše in učinkovitejše. Podjetja so spremenila encime, ki se uporabljajo kot zdravila (npr. PEGilacija encima za daljše kroženje v telesu ali sprememba aminokislin za zmanjšanje imunskih reakcij). Značilen primer je encim asparaginaza, ki se uporablja za zdravljenje levkemije z izstradanjem rakavih celic asparagina. Raziskovalci so razvili različico asparaginaze z zmanjšanimi stranskimi učinki in izboljšano stabilnostjo, kar je izboljšalo njen terapevtski profil pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Podobno so laktazni encimi inženirsko izboljšani in prodajani kot prehranska dopolnila za pomoč osebam z laktozno intoleranco pri prebavi mlečnih izdelkov.
Biofarmacevtiki in biološka zdravila: Poleg klasičnih encimov ima široko področje beljakovinskih terapevtikov (protitelesa, citokini itd.) prav tako koristi od tehnik inženirstva beljakovin. Nobelova nagrada leta 2018 je počastila Sir Gregory Winter za evolucijo protiteles z uporabo prikaza na bakteriofagih – v bistvu uporabo inženirstva encimov/beljakovin za razvoj novih zdravil, kot je Humira, najbolje prodajano zdravilo na svetu za avtoimunske bolezni businessinsider.com. To delo je tesno povezano z inženirstvom encimov. Pravzaprav je Nobelov tiskovni urad poudaril, da so te metode privedle do “protiteles, ki napadajo raka” in drugih prebojev nobelprize.org. Danes laboratoriji rutinsko uporabljajo usmerjeno evolucijo ali racionalno načrtovanje za izboljšanje vezave in specifičnosti protitelesnih zdravil.
Diagnostika in biosenzorji: Inženirsko spremenjeni encimi so ključni tudi v medicinski diagnostiki. Pomislite na testne lističe za merjenje glukoze v krvi pri diabetikih – uporabljajo encim glukoza oksidazo. Z izboljšavami takšnih encimov so znanstveniki povečali občutljivost in stabilnost diagnostičnih testov. Encimi, združeni s protitelesi v ELISA kompletih ali z elektrodami v biosenzorjih, lahko zaznajo biomarkerje na nizkih ravneh. Na primer, raziskovalci so inženirsko spremenili encime za boljše zaznavanje določenih metabolitov ali celo virusov s testi na mestu oskrbe labinsights.nl. Kot smo videli med COVID-19, so bili encimi, kot so PCR polimeraze in encimi, povezani s CRISPR, optimizirani za hitro zaznavanje virusnega genskega materiala. Tako inženirstvo encimov prispeva k hitrejšemu in natančnejšemu medicinskemu testiranju.
Nove terapevtske strategije: Nekatere najsodobnejše terapije dobesedno uporabljajo encime kot “zdravila” za nove namene. En primer je uporaba bakterijskega encima za filtriranje toksinov iz krvi v dializnih aparatih (znanstveniki so eksperimentirali z encimi, ki razgrajujejo uremične toksine med ledvično dializo labinsights.nl). Drugi primer je terapija raka, ki uporablja encime za aktivacijo kemoterapevtskih zdravil samo na mestu tumorja (encim je inženirsko spremenjen, da pretvori nestrupeno predzdravilo v strupeno zdravilo v rakavem tkivu in tako prihrani zdrave celice). Encime prav tako načrtujejo za razgradnjo zaščitne matrice okoli tumorjev ali za stradanje tumorjev s hranili – vse to so zelo ciljno usmerjeni pristopi, ki so še v preučevanju.

Povzemimo, inženiring encimov pomaga, da so zdravila cenejša in bolj okolju prijazna za proizvodnjo, poleg tega pa omogoča nove načine zdravljenja in diagnostike. Kot je dejal eden od strokovnjakov: »Možnosti so neskončne« – od ravnanja z odpadki v farmaciji do dostave zdravil v telesu news.utexas.edu. In ker so encimi tako specifični, lahko njihova uporaba v medicini zmanjša stranske učinke v primerjavi z običajnimi kemikalijami. To je pomemben korak k bolj osebni in trajnostni zdravstveni oskrbi.

Strokovno mnenje: Ob razmisleku o širši sliki je Nobelova nagrajenka Frances Arnold poudarila, da je posnemanje naravnega evolucijskega procesa oblikovanja odprlo svet novih medicinskih rešitev. »Vsa ta izjemna lepota in kompleksnost biološkega sveta nastane po enem preprostem, čudovitem algoritmu oblikovanja … Ta algoritem uporabljam za ustvarjanje novih bioloških stvari,« je povedala Arnold businessinsider.com. Te »nove biološke stvari« vključujejo napredne encime in beljakovine, ki danes rešujejo življenja.

Uporaba v kmetijstvu in prehrani

Inženiring encimov spreminja način, kako pridelujemo hrano, jo proizvajamo in celo to, kaj jemo. V kmetijstvu in prehrambni industriji so encimi že dolgo delovni konji (pomislite na sirilo v siru ali amilaze pri peki kruha). Zdaj pa inženirsko oblikovani encimi omogočajo bolj trajnostno, učinkovito in hranljivo pridelavo hrane:

Rast in zaščita pridelkov: Kmetje in podjetja za kmetijsko tehnologijo uporabljajo encime za izboljšanje zdravja tal in rastlin. Na primer, rastline potrebujejo fosfor, a večina ga je v tleh vezanega kot fitinska kislina, ki je živali ne morejo prebaviti. Fitaze so encimi, ki sproščajo fosfat iz fitinske kisline; znanstveniki so razvili fitazne encime, ki so bolj odporni na toploto (da preživijo v peletih za živalsko krmo) in aktivni v prebavilih. Dodajanje teh inženirsko oblikovanih encimov v krmo za živali močno poveča izkoristek hranil in zmanjša onesnaževanje s fosforjem iz živalskih odpadkov link.springer.com, abvista.com. Obstajajo tudi prizadevanja za ustvarjanje transgenih rastlin, ki izražajo takšne encime v svojih semenih, zaradi česar so pridelki sami bolj hranljivi za živali in ljudi pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Poleg tega je mogoče optimizirati naravne rastlinske ali mikrobne encime, ki ščitijo pred škodljivci ali boleznimi. Raziskovalci so preizkušali encime, ki razgrajujejo glivične toksine ali hitin žuželk kot okolju prijazne pesticide, čeprav so ti še v razvoju.
Predelava hrane in kakovost: Tukaj encimi že blestijo – od varjenja piva do mehčanja mesa – in inženiring encimov to še dodatno pospeši. Inženirsko oblikovani encimi pomagajo učinkoviteje predelovati hrano in izboljšujejo kakovost. Na primer, encimi pri predelavi škroba (za izdelavo sladil, kot je glukozno-fruktozni sirup) so imeli tradicionalno omejitve glede temperature in pH. Z inženiringom teh encimov (npr. amilaze, ki razgrajujejo škrob, in glukozoizomeraza, ki pretvarja glukozo v fruktozo) so podjetja dosegla procese pri višjih temperaturah in optimalnem pH, kar daje slajši izdelek z manj nečistoč aiche.org. V mlečni industriji je encim himozin (uporablja se pri izdelavi sira) ena prvih beljakovin, proizvedenih z rekombinantno DNK; zdaj obstajajo različice, optimizirane za različne okuse sira ali za proizvodnjo vegetarijanskega sira. Laktaza je še en encim, ki so ga inženirsko izboljšali za učinkovitejšo proizvodnjo mleka brez laktoze, saj deluje hitro pri nizkih temperaturah. V pekarstvu inženirsko oblikovani encimi pomagajo, da kruh ostane dlje mehak (anti-staranje amilaze) in izboljšajo obdelavo testa. Pivovarska industrija uporablja inženirske encime za izboljšanje izkoristka in proizvodnjo piva z manj ogljikovimi hidrati ali z zmanjšano vsebnostjo glutena, tako da razgrajujejo določene sestavine.
Izboljšanje hranilne vrednosti hrane: Encimi lahko razgradijo nezaželene spojine in ustvarijo koristne. Na primer, nekatere vrste zelenjave vsebujejo grenke glukozinolate; inženirsko oblikovan encim bi lahko zmanjšal grenkobo z modifikacijo teh spojin (to je hipotetična, a verjetna prihodnja uporaba). Pravi primer so humani mlečni oligosaharidi (HMO) – kompleksni sladkorji v materinem mleku, ki koristijo zdravju dojenčkovega črevesja. Teh je težko sintetizirati kemično, vendar so inženirji encimov razvili poti z uporabo več encimov za proizvodnjo HMO za otroško formulo aiche.org. Z optimizacijo vsakega encima v poti (za večjo aktivnost in stabilnost) lahko podjetja zdaj proizvajajo HMO, ki so bili prej dostopni le prek materinega mleka, s čimer prinašajo prehranske koristi dojenčkom, hranjenim s formulo aiche.org.
Zmanjševanje zavržkov hrane in varnejša hrana: Encimi pomagajo tudi pri konzerviranju hrane. Inženirsko oblikovani encimi se uporabljajo, da kruh dlje ostane brez plesni ali da preprečijo motnost sadnih sokov. Na primer, encim, ki razgrajuje pektinski mot v soku, je mogoče narediti bolj robustnega, da hitro deluje pri hladni predelavi soka. Za varnejšo kavo lahko dodamo encim (kot je omenjeno v poročilu iz leta 2024), ki razgrajuje akrilamid – potencialni rakotvorni snovi, ki nastane pri praženju kavnih zrn – brez vpliva na okus khni.kerry.com. Z inženiringom takšnih encimov, da so živilske kakovosti in učinkoviti, lahko odstranimo škodljive snovi iz hrane. Podaljševanje roka uporabnosti je še eno področje: encimi, ki preprečujejo žarkost maščob ali zavirajo rast mikrobov, so prilagojeni, da hrana ostane dlje sveža in se tako zmanjša količina odpadkov.
Novi prehrambeni izdelki: Inženiring encimov omogoča ustvarjanje novih sestavin. Na primer, rastlinska prehrambena industrija uporablja encime za razvoj nadomestkov mesa in mlečnih izdelkov. Encimi lahko izboljšajo teksturo beljakovin (kot pri rastlinskih burgerjih) ali sintetizirajo naravne arome. Inženiran transglutaminaza (encim “mesno lepilo”) se uporablja za vezavo rastlinskih beljakovin, da posnemajo mesna vlakna. Precizna fermentacija – uporaba mikrobov za proizvodnjo prehranskih sestavin – pogosto temelji na optimiziranih encimih in poteh. Danes imamo mlečne beljakovine (kazein, sirotka), proizvedene s fermentacijo kvasovk, zahvaljujoč inženiranim encimom in genom, ki jih lahko uporabimo za izdelavo pravega sira brez krav. Podobno se encimi uporabljajo za proizvodnjo sladil (na primer encimski postopek za cenejšo izdelavo sladila iz sadeža monk ali stevia RebM) khni.kerry.com. Mnogi od teh postopkov niso bili izvedljivi, dokler inženiring encimov ni naredil biokatalizatorjev dovolj učinkovitih za komercialno uporabo.

Na splošno inženiring encimov pomaga graditi bolj trajnosten prehranski sistem, od kmetije do krožnika. Izboljšuje donose in zmanjšuje uporabo kemikalij v kmetijstvu, omogoča čistejšo predelavo hrane z manj odpadki in celo odpira vrata novim živilom. Napoved za prehransko znanost za leto 2024 je navedla, da usmerjena evolucija encimov prinaša izboljšane funkcionalnosti, ki proizvajalcem omogočajo ustvarjanje “zdravih, okusnejših izdelkov z manjšim vplivom na okolje” khni.kerry.com. Encimi nam omogočajo, da ostre industrijske postopke nadomestimo z nežnimi, na biološki osnovi temelječimi procesi. Kot je dejal dr. Niall Higgins iz podjetja Kerry, so encimi naravni biokatalizatorji in šele začenjamo izkoriščati njihov potencial – v povezavi z umetno inteligenco in biotehnologijo bodo “pozitivno preoblikovali naš prehranski sistem z gradnjo učinkovitejše in trajnostne prehranske verige.” khni.kerry.com.

In ja, to vpliva tudi na vaše vsakdanje življenje: tisti encimski detergent v vaši pralnici (proteaze, ki raztapljajo madeže) ali prašek za mehčanje mesa v vaši kuhinji (encim papain) sta izdelka inženiringa encimov, ki olajšujeta vsakodnevna opravila labinsights.nl. Torej, naslednjič, ko boste uživali pivo, sir ali bister sadni sok, obstaja velika verjetnost, da je imel pri tem prste vmes inženiran encim!

Industrijska biotehnologija in okoljske uporabe

Poleg hrane in farmacije encimsko inženirstvo revolucionira industrijske procese in ponuja rešitve za okoljske probleme. Industrijska biotehnologija uporablja encime za zamenjavo tradicionalnih kemičnih katalizatorjev pri proizvodnji kemikalij, materialov in goriv. V okoljskih znanostih pa inženirsko oblikovani encimi ponujajo nove načine za razgradnjo onesnaževal, recikliranje odpadkov in celo zajem toplogrednih plinov.

Čistejša industrija z encimskimi procesi

Tradicionalna industrijska kemija je lahko umazana – proizvaja strupene stranske produkte, porabi veliko energije in se zanaša na neobnovljive katalizatorje (kot so težke kovine). Encimi predstavljajo čistejšo alternativo, saj delujejo v vodi pri zmernih temperaturah in so biorazgradljivi. Encimsko inženirstvo pomaga prilagoditi encime industrijskim pogojem in novim substratom:

Tekstil in detergenti: Encimi so bili velika pridobitev za pralno in tekstilno industrijo. Inženirsko oblikovane proteaze in amilaze v pralnih detergentih razgrajujejo beljakovine in škrobe v madežih, delujejo tudi pri nizkih temperaturah pranja in različnih pH vrednostih. Podjetja so izboljšala te encime, da so stabilni v praškastih detergentih in ob prisotnosti belila. Rezultat: oblačila lahko perete v hladni vodi in odstranite trdovratne madeže, pri tem pa prihranite energijo in vodo. V tekstilni industriji encimi nadomeščajo ostre kemikalije pri procesih, kot sta “stone-washing” jeansa (uporaba celulaz za bledenje jeansa) in bio-poliranje tkanin (za preprečevanje muckanja). Ti encimi so bili inženirsko prilagojeni, da prenesejo pogoje tekstilne obdelave (npr. visoko mehansko obremenitev in specifičen pH). Lahka industrija uporabe encimov – vključno z odstranjevanjem dlak iz usnja, beljenjem celuloze in papirja ter proizvodnjo biogoriv iz kmetijskih odpadkov – se je močno razširila z inženirsko oblikovanimi encimi labinsights.nl.
Biogoriva in energija: Encimi so ključni za pretvorbo biomase (kot so ostanki pridelkov, les ali alge) v biogoriva. Celulaze, ki razgrajujejo celulozo v sladkorje, so bistvene za proizvodnjo celuloznega etanola (obnovljivo gorivo). Naravne celulaze niso bile dovolj učinkovite ali pa so se razgradile nad 50 °C. Z inženiringom zdaj imamo mešanice celulaz, ki prenesejo visoke temperature in kisle pogoje predobdelave, kar podvoji izkoristek sladkorjev iz biomase. To naredi proizvodnjo biogoriv bolj izvedljivo. V enem primeru so znanstveniki izboljšali stabilnost encima, ki razgrajuje les, tako da je preživel predobdelavo rastlinske mase in še naprej deloval, s čimer so močno znižali stroške. Potekajo tudi raziskave encimov za proizvodnjo biodizla (lipaze, ki pretvarjajo rastlinska olja v biodizel), da bi bil ta proces čistejši in da bi bili encimi večkrat uporabni. Povzetek labinsights navaja, da je uporaba encimov za proizvodnjo goriv, kot so vodik, metan, etanol in metanol iz rastlinskih materialov, “nov način, ki ga ljudje raziskujejo” za trajnostno energijo labinsights.nl. Inženirsko oblikovani encimi ekstremofilov (iz toplotno odpornih mikrobov) so tu še posebej dragoceni, saj industrijski reaktorji za biogoriva pogosto delujejo pri visokih temperaturah.
Kemična sinteza (“zelena kemija”): Pri primeru sitagliptina smo videli, kako lahko encimi nadomestijo kovinske katalizatorje. Številne fine kemikalije in prekurzorje za plastiko je mogoče prav tako proizvesti z biokatalizo, če je encim dovolj dober. Inženiring encimov je omogočil razvoj esteraz in lipaz za izdelavo kozmetičnih in živilskih estrov (ki nadomeščajo korozivne kisle katalizatorje), transaminaz in ketoreduktaz za kiralno kemijsko sintezo v farmaciji (proizvodnja molekul z eno roko v visoki čistosti) in celo nitrilaz za proizvodnjo organskih kislin brez nevarnih kislin. Pregled, ki ga je pripravila Ameriška kemijska družba, je poudaril, da inženirsko oblikovani encimi zdaj izvajajo kemijske reakcije, za katere so nekoč menili, da so biološko nemogoče, kar omogoča enostopenjske poti do spojin, ki so prej zahtevale več korakov aiche.or g. Ta trend ne naredi proizvodnje le bolj zelene, ampak pogosto tudi cenejšo, saj procesi zahtevajo manj čiščenja in potekajo pri sobnem tlaku.

Inženiring encimov za okoljske rešitve

Morda je najbolj navdihujoče, kako se inženiring encimov uporablja v boju proti onesnaževanju in za pomoč okolju:

Encimi, ki jedo plastiko: Leta 2016 so japonski znanstveniki odkrili bakterijo (Ideonella sakaiensis), ki se je razvila tako, da je jedla PET plastiko (pogosta v plastenkah za vodo) theguardian.com. Proizvaja encim, imenovan PETaza, ki lahko razgradi PET na njegove gradnike. Vendar pa je bil naravni encim počasen – za razgradnjo majhnega kosa plastike je potreboval tedne theguardian.com. Tu nastopijo inženirji encimov: več raziskovalnih skupin po svetu je začelo mutirati in razvijati PETazo, da bi bila hitrejša in bolj stabilna. Do leta 2020 je ekipa ustvarila mutanta, ki je bil približno 6-krat hitrejši. Nato je leta 2022 preboj na Univerzi v Teksasu v Austinu prinesel različico PETaze z imenom FAST-PETase, ki je lahko depolimerizirala plastične odpadke v samo 24 urah v zmernih pogojih news.utexas.edu. Ta encim je bil zasnovan z uporabo algoritma strojnega učenja (za prepoznavanje koristnih mutacij) in nato testiran ter izboljšan v laboratoriju news.utexas.edu. Hal Alper, vodja projekta, je dejal: »Možnosti so neskončne v različnih industrijah za izkoriščanje tega… S temi bolj trajnostnimi encimskimi pristopi si lahko začnemo predstavljati resnično krožno gospodarstvo plastike.« news.utexas.edu. Z drugimi besedami, encimi bi nam lahko omogočili neskončno recikliranje plastike, tako da jo razgradijo na surovine in ponovno sintetizirajo, namesto da bi jo odlagali ali sežigali. To je prelomnica v boju proti onesnaževanju s plastiko. Kot je dejal drug raziskovalec, Andy Pickford, o izvirnem encimu PETaza: »Encim Ideonella je pravzaprav zelo zgodaj v svojem evolucijskem razvoju… Cilj človeških znanstvenikov je, da ga pripeljejo do konca.« theguardian.com. Priča smo prav temu – človekovo usmerjanje evolucije spreminja počasnega »grizljača« plastike v požrešnega reciklerja plastike. Podjetja in zagonska podjetja (kot je Protein Evolution, po poročilu Forbes iz leta 2023) zdaj uporabljajo umetno inteligenco in usmerjeno evolucijo za ustvarjanje encimov, ki prebavljajo različne plastike in polimere, kar bi lahko rešilo naše težave z odpadki na odlagališčih in v oceanih pmc.ncbi.nlm.nih.gov.
Čiščenje okolja: Poleg plastike lahko inženirsko oblikovani encimi razgrajujejo tudi druge onesnaževalce. Na primer, encimi, imenovani laksaze in peroksidaze (iz gliv in bakterij), lahko razgradijo strupena barvila v odpadnih vodah tekstilne industrije in celo nekatere pesticide. Ti encimi so bili zasnovani tako, da so bolj stabilni v prisotnosti onesnaževal in delujejo pri višjih pH vrednostih industrijskih izpustov phys.org. Druga tarča so naftni madeži – znanstveniki izboljšujejo encime, kot so alkanske hidroksilaze, ki prebavljajo ogljikovodike v nafti, da bi pomagali pri bioremediaciji razlitij. Potekajo tudi raziskave encimov, ki bi lahko razgradili PFAS (“večne kemikalije”) – zelo obstojna kemična onesnaževala – z inženirskim oblikovanjem naravno prisotnih encimov, ki napadajo podobne vezi. Čeprav je to zahtevno, je nekaj laboratorijev poročalo o začetnem uspehu pri inženirskem oblikovanju encimov za počasno razgradnjo določenih PFAS spojin (to je področje v razvoju v letu 2025).
Zajetje ogljika in podnebje: Encimi bi lahko celo pomagali v boju proti podnebnim spremembam. Ena od idej je uporaba encimov za vezavo ogljika (kot sta rubisko ali karbonska anhidraza) za učinkovitejše zajemanje CO₂. Naravni rubisko v rastlinah ni zelo hiter, zato so ga znanstveniki poskušali izboljšati ali prenesti učinkovitejše različice iz bakterij v kulturne rastline. Napredek je zmeren, vendar bi že majhne izboljšave učinkovitosti vezave CO₂ lahko izboljšale pridelek ali proizvodnjo biogoriv. Karbonska anhidraza, ki pretvarja CO₂ v bikarbonat, je bila prilagojena za delovanje v industrijskih rešitvah za zajemanje ogljika in pomaga ujeti CO₂ iz izpustov elektrarn. Pregled iz leta 2023 je izpostavil uporabo inženirsko oblikovanih encimov za izboljšanje zajemanja in uporabe ogljika ter to označil kot ključno področje za trajnost pmc.ncbi.nlm.nih.gov, longdom.org. Čeprav encimi sami ne bodo rešili podnebnih sprememb, so dragoceni del orodij za upravljanje z ogljikom in ustvarjanje ogljično nevtralnih goriv (prek encimatske reciklaže CO₂ v kemikalije).
Čiščenje odpadnih voda: Encimi se uporabljajo za čiščenje odplak in odpadnih tokov z razgradnjo organskih snovi in toksinov. Na primer, organofosfatne hidrolaze so bile zasnovane za razgradnjo živčnih strupov in pesticidov v vodi. Nitrilaze in dehidrogenaze lahko razstrupijo industrijska topila. Z izboljšanjem aktivnosti in razpona teh encimov lahko čistilne naprave za odpadne vode učinkoviteje nevtralizirajo škodljive kemikalije, preden se voda izpusti. V enem primeru so raziskovalci zasnovali encim za razgradnjo pogostega onesnaževala podtalnice (1,2-dikloroetan) in dosegli hitrejšo dekontaminacijo. Encimi ponujajo pristop bioremediacije, ki ga je včasih mogoče izvesti na kraju samem, preprosto z dodajanjem encima ali mikrobov, ki ga proizvajajo.

Od industrijske katalize do čiščenja okolja, inženiring encimov ponuja čistejše, varnejše in pogosto cenejše rešitve. To je v skladu z načeli trajnosti – uporaba obnovljivih bioloških katalizatorjev namesto agresivnih kemikalij. Kot je Kraljeva švedska akademija zapisala, so nagrajenci Nobelove nagrade 2018 pokazali, kako lahko usmerjena evolucija ustvari »beljakovine, ki rešujejo človeške kemijske probleme« businessinsider.com. To vidimo v praksi v teh primerih: ne glede na to, ali je »kemijski problem« onesnažujoč industrijski proces ali strupen onesnaževalec, so inženirski encimi tisti, ki prevzemajo vlogo reševalcev problemov.

Za močan nedavni primer si oglejmo, kaj je povedal Andrew Ellington (biokemik, ki je sodeloval pri projektu FAST-PETase): »To delo resnično dokazuje moč združevanja različnih disciplin, od sintetične biologije do kemijskega inženirstva in umetne inteligence.« news.utexas.edu Inženiring encimov resnično stoji na stičišču disciplin – in uspešne zgodbe, kot je encim, ki razgrajuje plastiko, so dokaz te moči sodelovanja.

Nedavni preboji (2024–2025) in prihodnji pogled

Od 2024–2025 inženiring encimov napreduje z izjemno hitrostjo, zahvaljujoč novim tehnologijam. Tukaj je nekaj glavnih trendov in prebojev v zadnjem letu ali dveh, ki kažejo, kam se področje razvija:

Encimi, zasnovani z umetno inteligenco: Velik mejnik je bil dosežen v začetku leta 2023, ko so raziskovalci poročali o prvih encimih, ki jih je v celoti zasnovala umetna inteligenca in delujejo enako dobro kot naravni newsroom.uw.edu. Z učenjem globokih modelov na podatkovnih bazah zaporedij proteinov lahko znanstveniki zdaj ustvarijo nove strukture encimov, prilagojene za vezavo na določene molekule. Članek v reviji Nature “De novo design of luciferases using deep learning” je to pokazal s proizvodnjo encimov, ki oddajajo svetlobo (luciferaze) za izbrane kemične substrate newsroom.uw.edu. Ti encimi, zasnovani z umetno inteligenco, so bili po laboratorijskem izpopolnjevanju dejansko učinkovitejši od nekaterih, ki jih najdemo v naravi newsroom.uw.edu. Ta preboj nakazuje, da boste v bližnji prihodnosti, če boste imeli v mislih kemijsko reakcijo, morda lahko prosili umetno inteligenco, naj “si zamisli” encim zanjo. Kot je poudaril dr. David Baker, bi to lahko omogočilo izdelavo encimov po meri za skoraj vsako reakcijo, kar bi koristilo “biotehnologiji, medicini, sanaciji okolja in proizvodnji” newsroom.uw.edu. Več zagonskih podjetij (kot sta Catalyze in ProteinQure) je zdaj na tem področju in si prizadevajo skrajšati razvojni cikel encimov z uporabo algoritmov.
Sistemi za neprekinjeno evolucijo: Tradicionalna usmerjena evolucija je postopna in zahteva veliko dela – mutiraj, izrazi, preglej, ponovi. Novi pristopi to avtomatizirajo, na primer sistemi za neprekinjeno usmerjeno evolucijo, kjer bakterije ali fagi mutirajo ciljni gen v realnem času med replikacijo. Leta 2024 so raziskovalci predstavili izboljšane sisteme (kot sta MutaT7 in drugi), ki lahko razvijajo encime znotraj živih celic neprekinjeno, kar izjemno pospeši postopek biorxiv.org s, ciencedirect.com. Ena od teh metod je povezala encimsko aktivnost z rastjo celic, tako da so preživele in se razmnoževale le celice z boljšim encimom – eleganten način selekcije, ki je potekal skozi številne generacije in v nekaj dneh namesto mesecev prinesel visoko optimiziran encim journals.asm.org. Avtomatizacija in mikrofluidika se prav tako uporabljata za izvajanje usmerjene evolucije z minimalnim človeškim posredovanjem, kar bi lahko v prihodnosti optimizacijo encimov spremenilo v pretežno robotski postopek.
Hibridni pristopi (strojno učenje + evolucija): Znanstveniki združujejo umetno inteligenco z laboratorijsko evolucijo v zanki. V enem poročilu iz leta 2022 je model strojnega učenja usmerjal, katere mutacije izvesti (učenje iz podatkov vsakega kroga), in ta usmerjena evolucija je dosegla boljši encim z manj krogi molecularbiosci.utexas.edu. Ta pristop »aktivnega učenja« postaja vse bolj priljubljen – algoritem napove obetavne mutacije, te se testirajo, podatki se vnesejo nazaj in model posodobi svoje napovedi. Tako se lahko zmanjša velikost knjižnic in osredotoči na koristne spremembe. Ko zbirke podatkov o encimih rastejo, postajajo ti modeli pametnejši. Pričakujemo lahko, da bodo do leta 2025 in kasneje skoraj vse kampanje usmerjene evolucije v določeni meri uporabljale umetno inteligenco, kar bo iskanje naredilo učinkovitejše.
Širitev nabora encimov: Odkriti so novi encimi iz ekstremnih okolij (vroči vrelci, globokomorski vrelci, polarni led), ki imajo zanimive sposobnosti (t.i. ekstremoencimi). Leta 2024 je skupina poročala o inženiringu encima iz globokomorskega mikroba, ki deluje v industrijski katalizi pri 5 °C, kar odpira možnosti za energetsko varčne procese (ni potrebe po segrevanju reaktorjev) pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Poudarek je tudi na umetnih encimih – to sploh niso proteini, temveč inženirsko zasnovane molekule (kot so DNA encimi ali peptidni katalizatorji). Vendar pa so proteinski encimi še vedno glavni delovni konji zaradi prednosti evolucije.
Reševanje medicinskih izzivov: Inženiring encimov ostaja v ospredju medicinskih inovacij. Nedavni preboj (2025) vključuje inženirski encim, ki lahko prečka krvno-možgansko pregrado in razgradi toksičen metabolit v možganih, kar ponuja potencialno zdravljenje za redko nevrološko bolezen (to je hipotetičen primer aktivne raziskovalne smeri). Prav tako so znanstveniki konec leta 2024 poročali o zelo razvitem CRISPR-Cas encimskem variantu, ki ima izjemno nizko aktivnost na nezaželenih mestih, kar omogoča natančnejše urejanje genov – ta varianta je bila pridobljena z usmerjeno evolucijo in bi lahko izboljšala varnost CRISPR terapij.
Regulativa in javno sprejemanje: Z veliko močjo pride tudi odgovornost, zato omemba regulacije in javnega dojemanja ne sme manjkati v pogledu v prihodnost. Inženirski encimi, uporabljeni v hrani ali sproščeni v okolje, gredo skozi varnostne ocene. Regulatorji v EU in ZDA so na splošno naklonjeni, saj encimski izdelki pogosto nadomeščajo bolj agresivne kemikalije. Kljub temu morajo biti encimi, proizvedeni z GSO mikrobi, v nekaterih jurisdikcijah označeni. Javno sprejemanje je visoko, kadar so koristi (npr. manj onesnaževanja, boljša prehrana) jasne, vendar je ključna transparentnost. Strokovnjaki napovedujejo »naraščajočo skrb glede regulativnega okolja«, saj vedno več izdelkov iz inženirskih mikrobov vstopa v prehrano in kmetijstvo khni.kerry.com. Komuniciranje varnosti in prednosti encimske tehnologije bo stalna naloga.

Za zaključek, inženiring encimov je na valu tehnološkega napredka in verjetno bomo v prihodnjih letih priča še hitrejšemu in bolj radikalnemu razvoju. Kot je zapisal en naslov iz leta 2023: “Znanstveniki uporabljajo umetno inteligenco za ustvarjanje umetnih encimov” singularityhub.com – in te sanje postajajo resničnost v laboratoriju. Sinergija biologije in tehnologije je tukaj globoka: evolucija (naravni oblikovalski algoritem) je zdaj dopolnjena s človeškimi oblikovalskimi algoritmi.

Končne misli

Inženiring encimov morda ni tako znan javnosti kot gensko urejanje ali umetna inteligenca, a je njegov vpliv verjetno prav tako daljnosežen. Z izkoriščanjem in izboljševanjem naravnih katalizatorjev preoblikujemo industrije, ki vplivajo na vsak vidik vsakdanjega življenja – od zdravil, ki jih jemljemo, do hrane, ki jo jemo, oblačil, ki jih nosimo, in okolja, v katerem živimo. In to se dogaja na način, ki pogosto naredi te procese čistejše in bolj trajnostne.

Če še enkrat citiramo Nobelovo nagrajenko Frances Arnold: “Inovacija z evolucijo: prinašanje nove kemije v življenje.” aiche.org Inženiring encimov uteleša ta izraz. Uporablja z evolucijo navdihnjene inovacije za ustvarjanje nove kemije – naj bo to zdravilo, ki rešuje življenja, ali encim, ki razgrajuje plastiko. Področje ima bogato zgodovino prebojev in trenutno brsti od inovacij kot še nikoli prej. Leta 2025 smo priča preobrazbi v načinu, kako rešujemo probleme z biologijo. Inženirji encimov v bistvu ustvarjajo rešitve, ki so pametnejše, bolj zelene in bolj usklajene z življenjem samim. In ta encimska revolucija se šele začenja.

Kratek zgodovinski pregled inženiringa encimov

Encime ljudje uporabljamo že tisočletja (čeprav pogosto nezavedno) – pomislite na starodavno varjenje piva, izdelavo sira ali fermentacijo kruha, kjer delo opravijo naravni encimi v mikrobih. A znanstveno razumevanje encimov se je začelo v 19. stoletju s študijami prebave in fermentacijske kemije pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Do sredine 20. stoletja so znanstveniki ugotovili, da so encimi beljakovine, in razvozlali njihove osnovne strukture ter način, kako katalizirajo reakcije. To je postavilo teoretične temelje za inženiring encimov pmc.ncbi.nlm.nih.gov: če razumemo strukturo encima, ga lahko prilagodimo svojim potrebam?

Področje je resnično zaživelo v poznih 20. stoletju zaradi prebojev v molekularni biologiji. Dva z Nobelovo nagrado nagrajena dosežka iz 70-ih in 80-ih let sta postavila temelje:

Rekombinantna DNA tehnologija (gensko inženirstvo): Orodja za rezanje, spajanje in kloniranje DNA (pionirji Paul Berg, Herbert Boyer, Stanley Cohen itd.) so znanstvenikom omogočila izolacijo in spreminjanje genov za encime. Do 80. let 20. stoletja je postalo mogoče proizvajati rekombinantne encime – na primer izdelavo človeškega insulina ali industrijskih encimov v bakterijah ali kvasovkah, kar je encime naredilo veliko bolj dostopne za eksperimentiranje in uporabo.
Usmerjena mutageneza: To metodo je v 70. letih izumil Michael Smith in je omogočila namerne spremembe posameznih črk v DNA nobelprize.org. Za to je Michael Smith prejel Nobelovo nagrado za kemijo leta 1993. Nenadoma so biokemiki lahko ustvarili specifično mutacijo v encimu in opazovali učinek, kar je močno izboljšalo razumevanje povezave med zgradbo in funkcijo encimov. V sporočilu za javnost ob Nobelovi nagradi leta 1993 je bilo zapisano, da “je s Smithovo metodo mogoče ponovno programirati genetsko kodo… in zamenjati določene aminokisline v beljakovinah. …možnosti za konstruiranje beljakovin z novimi lastnostmi so se [temeljno] spremenile.” nobelprize.org To je bil začetek namernega načrtovanja proteinov. Zgodnji uspehi so vključevali prilagajanje encimov za prenašanje višjih temperatur ali inženiring protiteles (ki so vezavne beljakovine) za ciljanje tumorjev nobelprize.org – prvinske oblike prilagojenih proteinov za medicino in industrijo.

Vendar je bilo racionalno načrtovanje v tistih časih omejeno zaradi nepopolnega znanja. V 80. letih je veliko znanstvenikov poskušalo “preseči evolucijo” z analizo struktur encimov in napovedovanjem koristnih mutacij, vendar so pogosto naleteli na frustracije aiche.org. Izkazalo se je, da so encimi zelo kompleksni; sprememba enega dela je pogosto imela nepredvidljive učinke na celoto. Kot je zapisal en pregled, so raziskovalci ugotovili, da “encimov ni tako lahko razumeti” – “večina polipeptidne verige” okoli aktivnega mesta je prav tako pomembna za funkcijo aiche.org. Do poznih 80. let so bili s povsem racionalnimi spremembami encimov doseženi le skromni napredki.

Pomemben dosežek v resničnem svetu je bil razvoj izboljšanega encima za sintezo zdravil pri podjetju Merck (okoli 2007–2010). Merck je v sodelovanju z biotehnološkim podjetjem Codexis uporabil usmerjeno evolucijo za izboljšanje encima za proizvodnjo zdravila za sladkorno bolezen sitagliptin. Končni encim (po več krogih evolucije) je izvedel ključen kemijski korak z 99,95-odstotno selektivnostjo in visokim izkoristkom, nadomestil katalizator iz težkih kovin in izločil več korakov aiche.org. Encimski postopek je povečal skupni izkoristek za 13 % in zmanjšal kemične odpadke za 19 %, hkrati pa odpravil potrebo po visokotlačnem vodiku in strupenih kovinah aiche.org. To je bil mejnik, ki je pokazal, da lahko inženirsko oblikovani encimi naredijo farmacevtsko proizvodnjo bolj zeleno in učinkovito – in Arnoldovi ter sodelavcem prinesel prestižno nagrado za zeleno kemijo leta 2010. Do leta 2018 je bil vpliv usmerjene evolucije tako globok, da so Frances Arnold, Gregory Winter in George Smith prejeli Nobelovo nagrado za kemijo. Winter in Smith sta razvila metode za evolucijo proteinov, kot so protitelesa, z uporabo prikaza na bakteriofagih, Arnoldova pa za encime – skupaj so pokazali, da lahko »izkoriščanje moči evolucije« prinese izume, kot so nova zdravila, biogoriva in katalizatorjibusinessinsider.com.

V 21. stoletje se je inženiring encimov le še pospešil. Konec 2010-ih in začetek 2020-ih je računalniško načrtovanje proteinov doseglo napredek (uporaba programske opreme, kot je Rosetta, za načrtovanje encimov za specifične reakcije) in pojav UI v inženiringu proteinov. Z ogromnimi bazami podatkov o proteinih in strojnih učenjem lahko znanstveniki napovedujejo strukture encimov (zahvaljujoč prebojem, kot je AlphaFold) in celo ustvarjajo nove zaporedja encimov z želenimi funkcijami newsroom.uw.edu. V letih 2022–2023 so raziskovalci poročali o uporabi globokega učenja za ustvarjanje novih encimov iz nič (zlasti novih luciferaznih encimov, kot omenjeno zgoraj) newsroom.uw.edu. Medtem metode, kot sta kontinuirana usmerjena evolucija in avtomatizirano visokozmogljivo presejanje, pospešujejo evolucijski proces in ga naredijo bolj avtomatiziranega biorxiv.org, sciencedirect.com. Inženiring encimov danes je bogata mešanica biologije, inženirstva in podatkovne znanosti – povsem drugače kot poskusi in napake iz preteklih desetletij. Kot je zapisano v enem izmed industrijskih poročil iz leta 2024, smo šele na “vrhu ledene gore” pri izkoriščanju encimov – raziskan je bil le majhen delež možnih encimov, zato je potencial ogromen khni.kerry.com.

Ključne tehnike v inženiringu encimov

Inženirji encimov imajo na voljo nabor metod za ustvarjanje izboljšanih encimov. Tukaj je nekaj glavnih tehnik in kako delujejo:

Usmerjena mutageneza: Natančna metoda za spreminjanje določenih aminokislin v encimu. Znanstveniki oblikujejo kratek DNA primer z želeno mutacijo in ga uporabijo za kopiranje gena ter vnos spremembe. To je kot urejanje ene črke v načrtu. Odlično je za preverjanje hipotez (npr. “ali bo zamenjava te glicina z alaninom naredila encim bolj stabilen?”) in za fino nastavljanje aktivnih mest encima. Usmerjena mutageneza je bila prva metoda inženiringa proteinov in ostaja široko uporabljena nobelprize.org. Njena omejitev je, da morate izbrati mutacijo sami – zato je uspeh odvisen od tega, kako dobra je vaša domneva.
Usmerjena evolucija: Močna metoda, kot je bila opisana prej. Namesto ene ciljno usmerjene spremembe ustvarite veliko naključnih mutacij in izberete boljši encim. Ključni koraki vključujejo ustvarjanje knjižnice variant (prek napak polimerazne verižne reakcije (PCR), preurejanja DNA sorodnih genov ali drugih tehnik mutageneze sigmaaldrich.com) in sistem za presejanje ali selekcijo, da najdete izboljšane variante. Na primer, če želite hitrejši encim, lahko izbirate kolonije, ki hitreje spremenijo barvo substrata, ali če želite encim, ki deluje pri visokih temperaturah, izberete preživele po segrevanju. Usmerjena evolucija lahko prinese presenetljive izboljšave – encimi lahko pridobijo 100× večjo aktivnost ali se prilagodijo za delovanje v vreli vodi itd. Gre za poskus in napako, ki jo vodi slepo iskanje evolucije, vendar je izjemno učinkovita. Kot je povzel en članek, “Usmerjena evolucija… povzroča naključne mutacije v genu zanimanja… posnema naravno evolucijo z uvedbo stroge selekcije za prepoznavanje proteinov z optimizirano funkcionalnostjo” sigmaaldrich.com. Ta metoda ne zahteva poznavanja strukture encima, kar je velika prednost.
Visoko zmogljivo presejanje in selekcija: To niso inženirske metode same po sebi, ampak ključne komponente, zlasti pri usmerjeni evoluciji. Vključujejo tehnike za hitro testiranje tisočev variant encimov. Na primer: kolorimetrični testi v mikroploščah, sortiranje celic z aktivnimi encimi s fluorescenčno aktiviranim celičnim sortiranjem (FACS), prikaz na bakteriofagih za povezavo proteinov z DNA za selekcijo ali rastna komplementacija, kjer lahko bakterije rastejo le z izboljšanimi encimi v določenih pogojih sigmaaldrich.com. Boljša kot je vaša metoda presejanja (“dobiš tisto, kar preseješ” aiche.org), večja je verjetnost, da boste našli želeno varianto encima.
Imobilizacija in kemijska modifikacija: Včasih inženiring encima ne pomeni le spreminjanja njegovih aminokislin. Imobilizacija encimov je tehnika pritrjevanja encimov na trdne nosilce (kot so kroglice ali smola), kar lahko izboljša stabilnost in omogoči ponovno uporabo v industrijskih reaktorjih labinsights.nl l. Čeprav se zaporedje encima ne spremeni, je to inženirski pristop, ki naredi encime bolj praktične (ne izperejo se in pogosto bolje prenašajo pogoje, ko so imobilizirani). Kemijske modifikacije, kot je pritrjevanje polimerov (PEGilacija) ali navzkrižno povezovanje molekul encimov, lahko prav tako izboljšajo lastnosti, kot sta stabilnost ali razpolovni čas v zdravilu. Te metode imenujemo “tehnologije encimov druge generacije” že od 70. let prejšnjega stoletja labinsights.nl, in dopolnjujejo genske modifikacije.
Računalniško (in silico) načrtovanje: Hitro rastoč pristop je uporaba računalniških algoritmov za načrtovanje novih encimov ali izboljšanje obstoječih. Z modeliranjem encimskih struktur in fizike njihovih aktivnih mest znanstveniki poskušajo napovedati mutacije, ki bi lahko ustvarile želeno aktivnost. Zgodnji poskusi v 2000-ih so bili pogosto neuspešni, a področje je napredovalo. Danes lahko programi načrtujejo encime za določene reakcije (kot je Diels-Alderjeva reakcija v znani študiji iz leta 2010), nato pa se ti načrti proizvedejo v laboratoriju in testirajo. Pomembno je, da strojno učenje zdaj pomaga pri iskanju po ogromnem “prostoru iskanja” možnih proteinskih variant. Leta 2022 je ekipa razvila model strojnega učenja z imenom MutCompute, ki je usmerjal mutacije za encim, ki razgrajuje plastiko, in mu uspešno izjemno izboljšal učinkovitost molecularbiosci.utexas.edu. In kot omenjeno, je leto 2023 prineslo prve z umetno inteligenco načrtovane encime, ki so izvajali novo kemijo newsroom.uw.edu. Računalniško načrtovanje je še vedno pogosto povezano z dejansko evolucijo/eksperimenti – umetna inteligenca lahko predlaga kandidate, laboratorijsko testiranje in izboljšave (tudi evolucija) pa jih nato potrdijo in izpopolnijo. Kljub temu je trend v smeri “inteligentnega” inženiringa encimov s pomočjo velikih podatkov. Strokovnjaki napovedujejo, da bodo v prihodnosti računalniki zanesljivo načrtovali “popoln encim” za določeno nalogo, s čimer bi zmanjšali potrebo po obsežnih knjižnicah za presejanjeaiche.org – čeprav še nismo povsem tam.

S kombiniranjem teh tehnik lahko raziskovalci zdaj optimizirajo encime na predvidljiv, ponovljiv način. Kot je povzel en pregled iz leta 2021, »danes je inženiring encimov zrela veda, ki lahko predvidljivo optimizira katalizator za želeni produkt… in širi obseg industrijskih aplikacij encimov.« aiche.org. Skratka, kar je bilo nekoč poskusno-eksperimentalno, postaja vse bolj racionalna, na podatkih temelječa inženirska disciplina.

Uporabe v medicini in farmaciji

Eden najbolj vznemirljivih vplivov inženiringa encimov je v medicini in razvoju zdravil. Encimi imajo vlogo v naših telesih in pri izdelavi številnih sodobnih zdravil. Z inženiringom encimov znanstveniki ustvarjajo nove terapije in izboljšujejo proizvodnjo zdravil:

Bolj zelena farmacevtska proizvodnja: Mnoga zdravila so kompleksne organske molekule, ki tradicionalno zahtevajo večstopenjsko sintetično kemijo (pogosto s strupenimi reagenti ali dragimi pogoji). Inženirsko oblikovani encimi lahko te pretvorbe izvedejo bolj čisto. Značilen primer je proizvodnja sitagliptina (Januvia) za sladkorno bolezen: Merck je optimiziral encim z usmerjeno evolucijo, da je nadomestil kemični katalizator v proizvodnem procesu. Rezultat je bila učinkovitejša reakcija z večjim izkoristkom in manj nevarnimi odpadki aiche.org. Ta uspeh je pokazal, da je bilo »ključnega pomena inženirstvo encimov« za poenostavitev zahtevne kemijske sinteze, saj so z uporabo evoluiranega encima dosegli 13 % večji izkoristek in 19 % manj odpadkov aiche.org. Od takrat je veliko farmacevtskih podjetij sprejelo encimske katalizatorje za proizvodnjo zdravil (na primer za izdelavo zdravila za zniževanje holesterola atorvastatina in drugih), kar je bistveno zmanjšalo vpliv na okolje in stroške.
Encimske terapije: Nekatere bolezni povzroča pomanjkanje ali nepravilno delovanje encimov v telesu (na primer lizosomske bolezni shranjevanja, kjer bolniku manjka določen encim za razgradnjo določenih metabolitov). Inženiring encimov omogoča zasnovo nadomestnih encimskih terapij, ki so varnejše in učinkovitejše. Podjetja so spremenila encime, ki se uporabljajo kot zdravila (npr. PEGilacija encima, da dlje kroži v telesu, ali sprememba aminokislin za zmanjšanje imunskih reakcij). Značilen primer je encim asparaginaza, ki se uporablja za zdravljenje levkemije z izstradanjem rakavih celic asparagina. Raziskovalci so zasnovali različico asparaginaze z zmanjšanimi stranskimi učinki in izboljšano stabilnostjo, kar je izboljšalo njen terapevtski profil pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Podobno so laktazni encimi inženirsko oblikovani in prodajani kot prehranska dopolnila za pomoč osebam z laktozno intoleranco pri prebavi mlečnih izdelkov.
Biofarmacevtiki in biološka zdravila: Poleg klasičnih encimov ima široko področje beljakovinskih terapevtikov (protitelesa, citokini itd.) prav tako koristi od tehnik inženirstva beljakovin. Nobelova nagrada za leto 2018 je počastila Sir Gregory Winter za evolucijo protiteles z uporabo prikaza na bakteriofagih – v bistvu uporabo inženirstva encimov/beljakovin za razvoj novih zdravil, kot je Humira, najbolje prodajano zdravilo na svetu za avtoimunske bolezni businessinsider.com. To delo je tesno povezano z inženirstvom encimov. Pravzaprav je Nobelov tiskovni izid poudaril, da so te metode privedle do “protiteles, ki napadajo raka” in drugih prebojev nobelprize.org. Danes laboratoriji rutinsko uporabljajo usmerjeno evolucijo ali racionalno načrtovanje za izboljšanje vezave in specifičnosti protitelesnih zdravil.
Diagnostika in biosenzorji: Inženirsko spremenjeni encimi so ključni tudi v medicinski diagnostiki. Pomislite na testne lističe za merjenje glukoze v krvi pri diabetikih – uporabljajo encim glukoza oksidazo. Z izboljšavami takšnih encimov so znanstveniki povečali občutljivost in stabilnost diagnostičnih testov. Encimi, združeni s protitelesi v ELISA kompletih ali z elektrodami v biosenzorjih, lahko zaznajo biomarkerje na nizkih ravneh. Na primer, raziskovalci so inženirsko spremenili encime za boljše zaznavanje določenih metabolitov ali celo virusov s testi na mestu oskrbe labinsights.nl. Kot smo videli med COVID-19, so bili encimi, kot so PCR polimeraze in encimi, povezani s CRISPR, optimizirani za hitro zaznavanje virusnega genskega materiala. Tako inženirstvo encimov prispeva k hitrejšemu in natančnejšemu medicinskemu testiranju.
Nove terapevtske strategije: Nekatere najsodobnejše terapije dobesedno uporabljajo encime kot “zdravila” za nove namene. En primer je uporaba bakterijskega encima za filtriranje toksinov iz krvi v dializnih aparatih (znanstveniki so eksperimentirali z encimi, ki razgrajujejo uremične toksine med ledvično dializo labinsights.nl). Drugi primer je terapija raka, ki uporablja encime za aktivacijo kemoterapevtskih zdravil samo na mestu tumorja (encim je inženirsko spremenjen, da pretvori nestrupen predzdravilo v strupeno zdravilo v rakavem tkivu in tako prihrani zdrave celice). Encime prav tako načrtujejo za razgradnjo zaščitne matrice okoli tumorjev ali za stradanje tumorjev s hranili – vse to so zelo ciljno usmerjeni pristopi, ki so v preučevanju.

Povzemimo, inženiring encimov pomaga, da so zdravila cenejša in bolj okolju prijazna za proizvodnjo, hkrati pa omogoča nove načine zdravljenja in diagnostike. Kot je dejal eden od strokovnjakov, so »možnosti neskončne« – od ravnanja z odpadki v farmaciji do dostave zdravil v telesu news.utexas.edu. In ker so encimi tako specifični, lahko njihova uporaba v medicini zmanjša stranske učinke v primerjavi z običajnimi kemikalijami. To je pomemben korak k bolj osebni in trajnostni zdravstveni oskrbi.

Uporaba v kmetijstvu in prehrani

Rast in zaščita pridelkov: Kmetje in podjetja za kmetijsko tehnologijo uporabljajo encime za izboljšanje zdravja tal in rastlin. Na primer, rastline potrebujejo fosfor, vendar je večina vezanega v tleh kot fitinska kislina, ki je živali ne morejo prebaviti. Fitaze so encimi, ki sproščajo fosfat iz fitinske kisline; znanstveniki so razvili fitazne encime, ki so bolj odporni na toploto (da preživijo v peletih za krmo) in aktivni v prebavilih. Dodajanje teh inženirsko oblikovanih encimov v krmo za živali močno poveča izkoristek hranil in zmanjša onesnaževanje s fosforjem iz živalskih odpadkov link.springer.com, abvista.com. Obstajajo tudi prizadevanja za ustvarjanje transgenih rastlin, ki izražajo takšne encime v svojih semenih, zaradi česar so pridelki sami bolj hranljivi za živali in ljudi pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Poleg tega je mogoče optimizirati naravne rastlinske ali mikrobne encime, ki ščitijo pred škodljivci ali boleznimi. Raziskovalci so preizkušali encime, ki razgrajujejo glivične toksine ali hitinske oklepe žuželk kot okolju prijazne pesticide, čeprav so ti še v razvoju.
Predelava hrane in kakovost: Tu encimi že blestijo – od varjenja piva do mehčanja mesa – in inženiring encimov to še dodatno pospeši. Inženirsko izboljšani encimi pomagajo učinkoviteje predelovati hrano in izboljšujejo kakovost. Na primer, encimi pri predelavi škroba (za izdelavo sladil, kot je visoko fruktozni koruzni sirup) so imeli tradicionalno omejitve glede temperature in pH. Z inženiringom teh encimov (npr. amilaze, ki razgrajujejo škrob, in glukoza izomeraza, ki pretvarja glukozo v fruktozo) so podjetja dosegla procese pri višjih temperaturah in optimalnem pH, kar daje slajši izdelek z manj nečistočami aiche.org. V mlečni industriji je encim himozin (uporablja se pri izdelavi sira) ena prvih beljakovin, proizvedenih z rekombinantno DNK; zdaj obstajajo različice, optimizirane za različne okuse sira ali za proizvodnjo vegetarijanskega sira. Laktaza je še en encim, ki je bil inženirsko izboljšan za učinkovitejšo proizvodnjo mleka brez laktoze, saj deluje hitro pri nizkih temperaturah. V pekarstvu inženirsko izboljšani encimi pomagajo, da kruh ostane dlje časa mehak (anti-staranje amilaze) in izboljšajo obdelavo testa. Pivovarska industrija uporablja inženirsko izboljšane encime za boljši izkoristek in proizvodnjo piva z manj ogljikovimi hidrati ali z zmanjšano vsebnostjo glutena, saj razgrajujejo določene sestavine.
Izboljšanje hranilne vrednosti hrane: Encimi lahko razgradijo nezaželene spojine in ustvarijo koristne. Na primer, nekatere vrste zelenjave vsebujejo grenke glukozinolate; inženirsko izboljšan encim bi lahko zmanjšal grenkobo z modifikacijo teh spojin (to je hipotetična, a verjetna prihodnja uporaba). Pravi primer so humani mlečni oligosaharidi (HMO) – kompleksni sladkorji v materinem mleku, ki koristijo zdravju dojenčkovega črevesja. Teh je težko sintetizirati kemično, vendar so inženirji encimov razvili poti z uporabo več encimov za proizvodnjo HMO za otroško formulo aiche.org. Z optimizacijo vsakega encima v poti (za večjo aktivnost in stabilnost) lahko podjetja zdaj proizvajajo HMO, ki so bili prej dostopni le prek materinega mleka, s čimer prinašajo prehranske koristi dojenčkom, hranjenim s formulo aiche.org.
Zmanjševanje zavržkov hrane in varnejša hrana: Encimi pomagajo tudi pri konzerviranju hrane. Inženirsko izboljšani encimi se uporabljajo, da kruh dlje ostane brez plesni ali da preprečijo motnost sadnih sokov. Na primer, encim, ki razgrajuje pektinski mot v soku, je lahko narejen bolj robusten, da hitro deluje pri hladni predelavi soka. Za varnejšo kavo lahko dodamo encim (kot omenjeno v poročilu iz leta 2024), ki razgrajuje akrilamid – potencialni rakotvorni snovi, ki nastane pri praženju kavnih zrn – brez vpliva na okus khni.kerry.com. Z inženiringom takšnih encimov, da so živilske kakovosti in učinkoviti, lahko odstranimo škodljive snovi iz hrane. Podaljšanje roka uporabnosti je še eno področje: encimi, ki preprečujejo žarkost maščob ali zavirajo rast mikrobov, so prilagojeni, da hrana ostane dlje časa sveža in se tako zmanjša količina odpadkov.
Novi prehrambeni izdelki: Inženiring encimov omogoča ustvarjanje novih sestavin. Na primer, rastlinska prehrambena industrija uporablja encime za razvoj nadomestkov mesa in mlečnih izdelkov. Encimi lahko izboljšajo teksturo beljakovin (kot pri rastlinskih burgerjih) ali sintetizirajo naravne arome. Inženiran transglutaminaza (encim “mesno lepilo”) se uporablja za vezavo rastlinskih beljakovin, da posnemajo mesna vlakna. Precizna fermentacija – uporaba mikrobov za proizvodnjo prehranskih sestavin – pogosto temelji na optimiziranih encimih in poteh. Danes imamo mlečne beljakovine (kazein, sirotka), proizvedene s fermentacijo kvasovk, zahvaljujoč inženiranim encimom in genom, ki jih lahko uporabimo za izdelavo pravega sira brez krav. Podobno se encimi uporabljajo za proizvodnjo sladil (na primer encimski postopek za cenejšo izdelavo sladila iz sadeža monk ali stevia RebM) khni.kerry.com. Veliko teh postopkov ni bilo izvedljivih, dokler inženiring encimov ni naredil biokatalizatorjev dovolj učinkovitih za komercialno uporabo.

Na splošno inženiring encimov pomaga graditi bolj trajnosten prehranski sistem, od kmetije do krožnika. Izboljšuje donose in zmanjšuje uporabo kemikalij v kmetijstvu, omogoča čistejšo predelavo hrane z manj odpadki in celo odpira vrata novim živilom. Napoved za prehransko znanost za leto 2024 je navedla, da usmerjena evolucija encimov prinaša izboljšane funkcionalnosti, ki proizvajalcem omogočajo ustvarjanje “zdravih, okusnejših izdelkov z manjšim vplivom na okolje” khni.kerry.com. Encimi nam omogočajo, da ostre industrijske postopke nadomestimo z nežnimi, na biološki osnovi temelječimi procesi. Kot je povedal dr. Niall Higgins iz podjetja Kerry, so encimi naravni biokatalizatorji in šele začenjamo izkoriščati njihov potencial – njihovo povezovanje z umetno inteligenco in biotehnologijo bo “pozitivno preoblikovalo naš prehranski sistem z gradnjo učinkovitejše in trajnostne prehranske verige.” khni.kerry.com.

Industrijska biotehnologija in okoljske uporabe

Poleg hrane in farmacije encimsko inženirstvo revolucionira industrijske procese in ponuja rešitve za okoljske probleme. Industrijska biotehnologija uporablja encime za zamenjavo tradicionalnih kemičnih katalizatorjev pri proizvodnji kemikalij, materialov in goriv. In v okoljskih znanostih ponujajo inženirsko oblikovani encimi nove načine za razgradnjo onesnaževal, recikliranje odpadkov in celo zajem toplogrednih plinov.

Čistejša industrija z encimskimi procesi

Tekstil in detergenti: Encimi so bili velika pridobitev za pralno in tekstilno industrijo. Inženirsko oblikovane proteaze in amilaze v pralnih detergentih razgrajujejo beljakovine in škrobe v madežih, delujejo tudi pri nizkih temperaturah pranja in različnih pH vrednostih. Podjetja so izboljšala te encime, da so stabilni v praškastih detergentih in ob prisotnosti belila. Rezultat: oblačila lahko perete v hladni vodi in odstranite trdovratne madeže, prihranite energijo in vodo. V tekstilu encimi nadomeščajo ostre kemikalije pri procesih, kot sta “stone-washing” jeansa (uporaba celulaz za bledenje jeansa) in bio-poliranje tkanin (za preprečevanje muckanja). Ti encimi so bili inženirsko prilagojeni, da prenesejo pogoje tekstilne obdelave (npr. visoke mehanske obremenitve in specifičen pH). Lahka industrija uporabe encimov – vključno z odstranjevanjem dlak iz usnja, beljenjem celuloze in papirja ter proizvodnjo biogoriv iz kmetijskih odpadkov – se je močno razširila z inženirsko oblikovanimi encimi labinsights.nl.
Biogoriva in energija: Encimi so ključni za pretvorbo biomase (kot so ostanki pridelkov, les ali alge) v biogoriva. Celulaze, ki razgrajujejo celulozo v sladkorje, so ključne za proizvodnjo celuloznega etanola (obnovljivo gorivo). Naravne celulaze niso bile dovolj učinkovite ali pa so razpadle nad 50 °C. Z inženiringom zdaj imamo mešanice celulaz, ki prenašajo visoke temperature in kisle pogoje predobdelave, kar podvoji izkoristek sladkorjev iz biomase. To naredi proizvodnjo biogoriv bolj izvedljivo. V enem primeru so znanstveniki izboljšali stabilnost encima, ki razgrajuje les, tako da je preživel predobdelavo rastlinske mase in še naprej deloval, s čimer so močno znižali stroške. Potekajo tudi raziskave encimov za proizvodnjo biodizla (lipaze, ki pretvarjajo rastlinska olja v biodizel), da bi bil ta proces čistejši in da bi bili encimi večkrat uporabni. Povzetek labinsights navaja, da je uporaba encimov za proizvodnjo goriv, kot so vodik, metan, etanol in metanol iz rastlinskih materialov, “nov način, ki ga ljudje raziskujejo” za trajnostno energijo labinsights.nl. Inženirsko oblikovani encimi ekstremofilov (iz toplotno odpornih mikrobov) so tu še posebej dragoceni, saj industrijski reaktorji za biogoriva pogosto delujejo pri visokih temperaturah.
Kemična sinteza (“zelena kemija”): Pri primeru sitagliptina smo videli, kako lahko encimi nadomestijo kovinske katalizatorje. Številne fine kemikalije in prekurzorje za plastiko je mogoče prav tako proizvesti z biokatalizo, če je encim dovolj dober. Inženiring encimov je omogočil razvoj esteraz in lipaz za izdelavo kozmetičnih in živilskih estrov (ki nadomeščajo korozivne kisle katalizatorje), transaminaz in ketoreduktaz za kiralno kemijsko sintezo v farmaciji (proizvodnja molekul z eno roko v visoki čistosti) in celo nitrilaz za proizvodnjo organskih kislin brez nevarnih kislin. Pregled, ki ga je pripravila American Chemical Society, je poudaril, da inženirsko oblikovani encimi zdaj izvajajo kemijske reakcije, za katere so nekoč menili, da so biološko nemogoče, kar omogoča enostopenjske poti do spojin, ki so prej zahtevale več korakov aiche.org. Ta trend ne naredi proizvodnje le bolj zelene, ampak pogosto tudi cenejše, saj procesi zahtevajo manj čiščenja in potekajo pri sobnem tlaku.

Inženiring encimov za okoljske rešitve

Morda je najbolj navdihujoče, kako se inženiring encimov uporablja v boju proti onesnaževanju in za pomoč okolju:

Encimi, ki jedo plastiko: Leta 2016 so japonski znanstveniki odkrili bakterijo (Ideonella sakaiensis), ki se je razvila tako, da je jedla PET plastiko (pogosto v plastenkah za vodo) theguardian.com. Proizvaja encim, imenovan PETaza, ki lahko razgradi PET na njegove gradnike. Vendar pa je bil naravni encim počasen – za razgradnjo majhnega kosa plastike je potreboval tedne theguardian.com. Tu nastopijo inženirji encimov: več raziskovalnih skupin po svetu je začelo mutirati in razvijati PETazo, da bi bila hitrejša in bolj stabilna. Do leta 2020 je ekipa ustvarila mutanta, ki je bil približno 6-krat hitrejši. Nato je leta 2022 preboj na Univerzi v Teksasu v Austinu prinesel različico PETaze z imenom FAST-PETase, ki je lahko depolimerizirala plastične odpadke v samo 24 urah v zmernih pogojih news.utexas.edun. Ta encim je bil zasnovan z uporabo algoritma strojnega učenja (za prepoznavanje koristnih mutacij) in nato testiran ter izboljšan v laboratoriju news.utexas.edu. Hal Alper, vodja projekta, je dejal: »Možnosti so neskončne v različnih industrijah za uporabo tega … S temi bolj trajnostnimi encimskimi pristopi si lahko začnemo predstavljati resnično krožno gospodarstvo plastike.« news.utexas.edu. Z drugimi besedami, encimi bi nam lahko omogočili neskončno recikliranje plastike, tako da jo razgradijo na surovine in jo ponovno sintetizirajo, namesto da bi jo odlagali ali sežigali. To je prelomnica v boju proti onesnaženju s plastiko. Kot je dejal drug raziskovalec, Andy Pickford, o izvirnem encimu PETaza: »Encim Ideonella je pravzaprav zelo zgodaj v svojem evolucijskem razvoju … Cilj človeških znanstvenikov je, da ga pripeljejo do konca.« theguardian.com. Priča smo prav temu – evoluciji, ki jo vodi človek, in ki počasnega »grizljača« plastike spreminja v požrešnega reciklatorja plastike. Podjetja in zagonska podjetja (kot je Protein Evolution, po poročilu Forbesa iz leta 2023) zdaj uporabljajo umetno inteligenco in usmerjeno evolucijo za ustvarjanje encimov, ki prebavljajo različne plastike in polimere, s čimer bi lahko reševali težave z odpadki na odlagališčih in v oceanih pmc.ncbi.nlm.nih.gov.
Čiščenje okolja: Poleg plastike lahko inženirsko oblikovani encimi razgrajujejo tudi druge onesnaževalce. Na primer, encimi, imenovani laksaze in peroksidaze (iz gliv in bakterij), lahko razgradijo strupena barvila v odpadnih vodah tekstilne industrije in celo nekatere pesticide. Ti encimi so bili zasnovani tako, da so bolj stabilni v prisotnosti onesnaževal in da delujejo pri višjih pH vrednostih industrijskih izpustov phys.org. Druga tarča so naftni madeži – znanstveniki izboljšujejo encime, kot so alkanske hidroksilaze, ki razgrajujejo ogljikovodike v nafti, da bi pomagali pri bioremediaciji razlitij. Potekajo tudi raziskave encimov, ki bi lahko razgrajevali PFAS (“večne kemikalije”) – zelo obstojna kemična onesnaževala – z inženirskim oblikovanjem naravno prisotnih encimov, ki napadajo podobne vezi. Čeprav je to zahtevno, je nekaj laboratorijev poročalo o začetnem uspehu pri inženirskem oblikovanju encimov za počasno razgradnjo določenih PFAS spojin (to je področje v razvoju v letu 2025).
Zajetje ogljika in podnebje: Encimi bi lahko celo pomagali v boju proti podnebnim spremembam. Ena od idej je uporaba encimov za vezavo ogljika (kot sta rubisko ali karbonska anhidraza) za učinkovitejše zajemanje CO₂. Naravni rubisko v rastlinah ni zelo hiter, zato so ga znanstveniki poskušali izboljšati ali prenesti učinkovitejše različice iz bakterij v poljščine. Napredek je skromen, vendar bi lahko že majhne izboljšave učinkovitosti vezave CO₂ izboljšale pridelek ali proizvodnjo biogoriv. Karbonska anhidraza, ki pretvarja CO₂ v bikarbonat, je bila prilagojena za delovanje v industrijskih rešitvah za zajemanje ogljika in pomaga ujeti CO₂ iz izpustov elektrarn. Pregled iz leta 2023 je izpostavil uporabo inženirsko oblikovanih encimov za izboljšanje zajemanja in uporabe ogljika ter to označil kot ključno področje za trajnost pmc.ncbi.nlm.nih.gov, longdom.org. Čeprav encimi sami ne bodo rešili podnebnih sprememb, so dragoceni del orodij za upravljanje z ogljikom in ustvarjanje ogljično nevtralnih goriv (prek encimatske reciklaže CO₂ v kemikalije).
Čiščenje odpadnih voda: Encimi se uporabljajo za obdelavo odplak in odpadnih tokov z razgradnjo organskih snovi in toksinov. Na primer, organofosfatne hidrolaze so bile inženirsko oblikovane za razgradnjo živčnih strupov in pesticidov v vodi. Nitrilaze in dehidrogenaze lahko razstrupijo industrijska topila. Z izboljšanjem aktivnosti in razpona teh encimov lahko čistilne naprave za odpadne vode učinkoviteje nevtralizirajo škodljive kemikalije, preden se voda izpusti. V enem primeru so raziskovalci inženirsko oblikovali encim za razgradnjo pogostega onesnaževala podtalnice (1,2-dikloroetan) in dosegli hitrejšo dekontaminacijo. Encimi ponujajo pristop bioremediacije, ki ga je včasih mogoče izvesti na kraju samem, preprosto z dodajanjem encima ali mikrobov, ki ga proizvajajo.

Od industrijske katalize do čiščenja okolja, inženiring encimov ponuja čistejše, varnejše in pogosto cenejše rešitve. To je v skladu z načeli trajnosti – uporaba obnovljivih bioloških katalizatorjev namesto agresivnih kemikalij. Kot je Kraljeva švedska akademija zapisala, so nagrajenci Nobelove nagrade 2018 pokazali, kako lahko usmerjena evolucija ustvari »beljakovine, ki rešujejo človeške kemijske probleme« businessinsider.com. To vidimo v praksi v teh primerih: ne glede na to, ali je »kemijski problem« onesnažujoč industrijski proces ali strupen onesnaževalec, inženirski encimi stopajo v ospredje kot reševalci problemov.

Nedavni preboji (2024–2025) in prihodnji pogled

Encimi, zasnovani z umetno inteligenco: Pomemben mejnik je bil dosežen v začetku leta 2023, ko so raziskovalci poročali o prvih encimih, ki jih je v celoti zasnovala umetna inteligenca in delujejo enako dobro kot naravni newsroom.uw.edu. Z urjenjem modelov globokega učenja na bazah podatkov zaporedij proteinov lahko znanstveniki zdaj ustvarijo nove strukture encimov, prilagojene za vezavo na določene molekule. Članek v reviji Nature “De novo design of luciferases using deep learning” je to prikazal s proizvodnjo encimov, ki oddajajo svetlobo (luciferaze) za izbrane kemijske substrate newsroom.uw.edu. Ti encimi, zasnovani z umetno inteligenco, so bili po laboratorijskem izpopolnjevanju dejansko učinkovitejši od nekaterih, ki jih najdemo v naravi newsroom.uw.edu. Ta preboj nakazuje, da boste v bližnji prihodnosti, če boste imeli v mislih kemijsko reakcijo, morda lahko prosili umetno inteligenco, naj “si zamisli” encim zanjo. Kot je poudaril dr. David Baker, bi to lahko omogočilo izdelavo encimov po meri za skoraj vsako reakcijo, kar bi koristilo “biotehnologiji, medicini, sanaciji okolja in proizvodnji” newsroom.uw.edu. Več zagonskih podjetij (kot sta Catalyze in ProteinQure) je zdaj na tem področju in si prizadevajo skrajšati razvojni cikel encimov z uporabo algoritmov.
Sistemi za neprekinjeno evolucijo: Tradicionalna usmerjena evolucija je postopna in zahteva veliko dela – mutiraj, izrazi, preveri, ponovi. Novi pristopi to avtomatizirajo, na primer sistemi za neprekinjeno usmerjeno evolucijo, kjer bakterije ali fagi mutirajo ciljni gen v realnem času med replikacijo. Leta 2024 so raziskovalci predstavili izboljšane sisteme (kot sta MutaT7 in drugi), ki lahko razvijajo encime znotraj živih celic neprekinjeno, kar izjemno pospeši postopek biorxiv.org, sciencedirect.com. Ena od teh metod je povezala encimsko aktivnost z rastjo celic, tako da so preživele in se razmnoževale le celice z boljšim encimom – eleganten izbor, ki je potekal skozi številne generacije in v nekaj dneh namesto mesecev privedel do visoko optimiziranega encima journals.asm.org. Avtomatizacija in mikrofluidika se prav tako uporabljata za izvajanje usmerjene evolucije z minimalnim človeškim posredovanjem, kar bi lahko v prihodnosti optimizacijo encimov spremenilo v pretežno robotski postopek.
Hibridni pristopi (strojno učenje + evolucija): Znanstveniki združujejo umetno inteligenco z laboratorijsko evolucijo v zanki. V enem poročilu iz leta 2022 je model strojnega učenja usmerjal, katere mutacije izvesti (učenje iz podatkov vsakega kroga), in ta usmerjena evolucija je dosegla boljši encim z manj krogi molecularbiosci.utexas.edu. Ta pristop »aktivnega učenja« postaja vse bolj priljubljen – algoritem napove obetavne mutacije, te se testirajo, podatki se vnesejo nazaj in model posodobi svoje napovedi. Tako se lahko zmanjša velikost knjižnic in osredotoči na koristne spremembe. Ko zbirke podatkov o encimih rastejo, postajajo ti modeli pametnejši. Pričakujemo lahko, da bodo do leta 2025 in kasneje skoraj vse kampanje usmerjene evolucije v določeni meri uporabljale umetno inteligenco, kar bo iskanje naredilo učinkovitejše.
Širitev nabora encimov: Odkriti so novi encimi iz ekstremnih okolij (vroči vrelci, globokomorski vrelci, polarni led), ki imajo zanimive sposobnosti (t.i. ekstremoencimi). Leta 2024 je skupina poročala o inženiringu encima iz globokomorskega mikroba, ki deluje v industrijski katalizi pri 5 °C, kar odpira možnosti za energetsko varčne procese (ni potrebe po segrevanju reaktorjev) pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Poudarek je tudi na umetnih encimih – to sploh niso proteini, temveč inženirsko zasnovane molekule (kot so DNA encimi ali peptidni katalizatorji). Vendar pa so proteinski encimi še vedno glavni delovni konji zaradi prednosti evolucije.
Reševanje medicinskih izzivov: Inženiring encimov ostaja v ospredju medicinskih inovacij. Nedavni preboj (2025) vključuje inženirski encim, ki lahko prečka krvno-možgansko pregrado in razgradi toksičen metabolit v možganih, kar ponuja potencialno zdravljenje za redko nevrološko bolezen (to je hipotetičen primer kot smer aktivnih raziskav). Prav tako so znanstveniki konec leta 2024 poročali o zelo razviti varianti encima CRISPR-Cas, ki ima izjemno nizko aktivnost na nezaželenih mestih, kar omogoča natančnejše urejanje genov – ta varianta je bila pridobljena z usmerjeno evolucijo in bi lahko izboljšala varnost CRISPR terapij.
Regulativa in javno sprejemanje: Z veliko močjo pride tudi odgovornost, zato omemba regulacije in javnega mnenja ne sme manjkati v pogledu v prihodnost. Inženirski encimi, uporabljeni v hrani ali sproščeni v okolje, gredo skozi varnostne ocene. Regulatorji v EU in ZDA so na splošno naklonjeni, saj encimski izdelki pogosto nadomeščajo bolj agresivne kemikalije. Kljub temu morajo biti encimi, proizvedeni z GSO mikrobi, v nekaterih jurisdikcijah označeni. Javno sprejemanje je visoko, kadar so koristi (npr. manj onesnaževanja, boljša prehrana) jasne, vendar je ključna transparentnost. Strokovnjaki napovedujejo »naraščajočo skrb glede regulativnega okolja«, saj vedno več izdelkov iz inženirskih mikrobov vstopa v prehrano in kmetijstvo khni.kerry.com. Komuniciranje varnosti in prednosti encimske tehnologije bo stalna naloga.

Za zaključek, inženiring encimov je na valu tehnološkega napredka in v prihodnjih letih bomo verjetno priča še hitrejšemu in bolj radikalnemu razvoju. Kot je zapisal en naslov iz leta 2023: “Znanstveniki uporabljajo umetno inteligenco za ustvarjanje umetnih encimov” singularityhub.com – in te sanje postajajo resničnost v laboratoriju. Sinergija biologije in tehnologije je tukaj izjemna: evolucija (naravni oblikovalski algoritem) je zdaj dopolnjena s človeškimi oblikovalskimi algoritmi.

Končne misli

Inženiring encimov morda ni tako znan javnosti kot gensko urejanje ali umetna inteligenca, a njegov vpliv je nedvomno prav tako daljnosežen. Z izkoriščanjem in izboljševanjem naravnih katalizatorjev preoblikujemo industrije, ki vplivajo na vsak vidik vsakdanjega življenja – od zdravil, ki jih jemljemo, do hrane, ki jo jemo, oblačil, ki jih nosimo, in okolja, v katerem živimo. In to se dogaja na način, ki pogosto naredi te procese čistejše in bolj trajnostne.

Če še enkrat citiramo Nobelovo nagrajenko Frances Arnold: “Inovacija z evolucijo: prinašanje nove kemije v življenje.” aiche.org Inženiring encimov uteleša ta izraz. Uporablja z evolucijo navdihnjene inovacije za ustvarjanje nove kemije – naj bo to zdravilo, ki rešuje življenja, ali encim, ki razgrajuje plastiko. Področje ima bogato zgodovino prebojev in trenutno kar kipi od inovacij kot še nikoli prej. Leta 2025 smo priča preobrazbi v načinu, kako rešujemo probleme z biologijo. Inženirji encimov v bistvu ustvarjajo rešitve, ki so pametnejše, bolj zelene in bolj usklajene z življenjem samim. In ta encimska revolucija se šele začenja.

Viri: Pregled in definicija inženirstva encimov khni.kerry.com, nobelprize.org; Nobelove nagrade in pogledi na usmerjeno evolucijo businessinsider.com; strokovne izjave in preboji v usmerjeni evoluciji encimov businessinsider.com, aiche.org; z umetno inteligenco zasnovani encimi in nedavni napredki newsroom.uw.ed; industrijske in okoljske uporabe, vključno z razgradnjo plastike news.utexas.edu; uporaba v prehrani in kmetijstvu labinsights.nl, khni.kerry.com; zgodovinski razvoj od usmerjene mutageneze do Nobelove nagrade nobelprize.org, sigmaaldrich.com; in vpogledi v industrijske trende prihodnosti pmc.ncbi.nlm.nih.gov, aiche.org. Vsak od teh primerov prikazuje, kako inženirstvo encimov spodbuja inovacije na področju medicine, biotehnologije, proizvodnje hrane in okoljske trajnosti.

Episode #64: Interview with Nathan Tanner: Enzymes for Innovation

Oglej si posnetek na YouTube.

Encimska revolucija: Kako inženiring naravnih katalizatorjev spreminja medicino, prehrano in planet

Kaj je inženiring encimov?

Kaj je inženiring encimov?

Kratek zgodovinski pregled inženiringa encimov

Ključne tehnike v inženiringu encimov

Uporabe v medicini in farmaciji

Uporaba v kmetijstvu in prehrani

Industrijska biotehnologija in okoljske uporabe

Čistejša industrija z encimskimi procesi

Inženiring encimov za okoljske rešitve

Nedavni preboji (2024–2025) in prihodnji pogled

Končne misli

Kratek zgodovinski pregled inženiringa encimov

Ključne tehnike v inženiringu encimov

Uporabe v medicini in farmaciji

Uporaba v kmetijstvu in prehrani

Industrijska biotehnologija in okoljske uporabe

Čistejša industrija z encimskimi procesi

Inženiring encimov za okoljske rešitve

Nedavni preboji (2024–2025) in prihodnji pogled

Končne misli

Mateusz Brzeziński

Search

Latest Posts