Ензимна революція: як інженерія природних каталізаторів змінює медицину, харчування та планету

Світовий ринок промислових ферментів у 2019 році становив близько 9 мільярдів доларів і, за прогнозами, до 2027 року досягне 13,8 мільярда доларів.
Спрямований мутагенез, винайдений у 1970-х роках Майклом Смітом, дозволяє здійснювати точкові заміни амінокислот у ферментах і приніс йому Нобелівську премію з хімії у 1993 році.
У 1993 році Френсіс Арнольд продемонструвала спрямовану еволюцію, еволюціонуючи фермент шляхом випадкових мутацій і скринінгу, що стало віхою, яку згодом відзначили Нобелівською премією з хімії у 2018 році.
Merck і Codexis розробили еволюціонований фермент для виробництва сітагліптину приблизно у 2007–2010 роках, досягнувши селективності 99,95%, на 13% вищого виходу та на 19% меншої кількості хімічних відходів.
Премія Greener Chemistry 2010 року відзначила роботу зі спрямованої еволюції, яка зробила можливим більш екологічне виробництво фармацевтичних препаратів, зокрема фермент Merck/Codexis для сітагліптину.
У 2018 році Френсіс Арнольд, Грегорі Вінтер і Джордж Сміт отримали Нобелівську премію з хімії за методи спрямованої еволюції та фагового дисплею, які дозволяють створювати ліки, біопаливо та каталізатори.
У 2023 році у статті Nature “De novo design of luciferases using deep learning” було показано, що ферменти, спроєктовані штучним інтелектом, випромінюють світло і після лабораторного доопрацювання можуть перевершувати деякі природні ферменти.
У 2022–2023 роках дослідники використовували глибинне навчання для створення нових ферментів з нуля, зокрема люцифераз, що свідчить про перехід до проєктування ферментів за допомогою ШІ.
У 2022 році дослідники з UT Austin розробили FAST-PETase — варіант PETase, який може деполімеризувати пластикові відходи всього за 24 години за помірних умов, спроєктований за допомогою алгоритму машинного навчання.
Наприкінці 2024 року вчені повідомили про сильно еволюціонований варіант ферменту CRISPR-Cas з надзвичайно низькою позамішеневою активністю, що підвищує безпеку редагування генів.

Уявіть, якби ми могли перепрограмувати власні мікроскопічні машини природи для вирішення людських проблем. Інженерія ферментів — це наука про перепроєктування ферментів — білків, які каталізують хімічні реакції життя, — щоб надати їм нових або покращених функцій. Простими словами, це означає змінювати генетичний код ферменту, щоб він працював краще або інакше. Навіщо це потрібно? Тому що ферменти — це надзвичайні каталізатори: вони прискорюють хімічні реакції за м’яких умов, на відміну від багатьох промислових процесів, які потребують високих температур або токсичних хімікатів newsroom.uw.edu. Як пояснює біохімік David Baker, “Живі організми — дивовижні хіміки… вони використовують ферменти, щоб розщеплювати або синтезувати все, що їм потрібно, за м’яких умов. Нові ферменти можуть зробити відновлювані хімікати та біопаливо досяжними” newsroom.uw.edu. Іншими словами, якщо ми зможемо інженерувати ферменти, ми отримаємо екологічно чисті інструменти для революції у виробництві, енергетиці, медицині та інших сферах.

Важливість інженерії ферментів відображається в її стрімкому зростанні. Світовий ринок промислових ферментів становив близько $9 мільярдів у 2019 році і, за прогнозами, досягне $13,8 мільярда до 2027 року pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Ці «чудо-молекули» вже використовуються у всьому — від пральних порошків до харчової промисловості, і попит на них зростає. Інженерія ферментів дозволяє нам розширювати межі їхніх природних можливостей — робити їх ефективнішими, стійкішими або пристосованими до нових завдань. Це має величезне значення: від виробництва ліків і екологічно чистих пластиків до очищення навколишнього середовища від забруднень. Як зазначила Шведська королівська академія, вручаючи Нобелівську премію з хімії 2018 року, вчені «використали ті ж принципи — генетичні зміни та відбір — для створення білків, які вирішують хімічні проблеми людства» businessinsider.com. Коротко кажучи, використовуючи еволюцію та біоінженерію, інженери ферментів змінюють цілі галузі та вирішують глобальні проблеми.

Нижче ми розглянемо, що таке інженерія ферментів, як вона працює, її історію та основні методи, а також численні способи, якими вона змінює такі сфери, як медицина, сільське господарство, харчова промисловість, біотехнології та екологічна наука. Ми також виділимо останні досягнення (2024–2025) і цитати експертів, які очолюють цю революцію.

Що таке інженерія ферментів?

У своїй основі інженерія ферментів (галузь білкової інженерії) означає модифікацію структури ферменту для зміни його функції або властивостей khni.kerry.com. Ферменти — це ланцюги амінокислот, складені у складні тривимірні структури. Їхня форма і хімічні властивості визначають, яку реакцію вони каталізують — наприклад, розщеплення крохмалю на цукор або копіювання ДНК. Інженери ферментів змінюють послідовність амінокислот ферменту (змінюючи ДНК-код), щоб фермент став краще пристосованим до певного завдання або навіть каталізував нову реакцію. Це може покращити такі властивості, як активність (швидкість), специфічність (вибір однієї цілі серед інших), стабільність (робота в екстремальних умовах) або всі ці характеристики разом khni.kerry.com.

Як вчені модифікують ферменти? Є дві основні стратегії:

Раціональний дизайн (сайт-спрямований мутагенез): Якщо ви знаєте, яка частина ферменту впливає на його функцію, ви можете навмисно змінити певні амінокислоти. Ця техніка, започаткована у 1980-х роках Майклом Смітом (Нобелівська премія 1993), називається сайт-спрямований мутагенез – по суті, цілеспрямоване генетичне редагування гена ферменту nobelprize.org. Це схоже на проведення операції над ДНК ферменту: дослідники визначають “позицію” у ферменті для зміни, мутують цю літеру ДНК (кодон) і таким чином замінюють одну амінокислоту на іншу у ферменті. Цей метод був революційним, оскільки дозволив “перепрограмувати генетичний код” для створення білків із новими властивостями nobelprize.org. Спочатку вчені використовували його для дослідження структури та функції ферментів – наприклад, робили фермент більш стабільним, щоб він витримував промислові процеси, або модифікували антитіло, щоб воно могло націлюватися на ракові клітини nobelprize.org. Однак раціональний дизайн вимагає значних знань: потрібно передбачити, які зміни матимуть корисний ефект, що складно через складність ферментів. Як зауважив один інженер ферментів, навіть сьогодні “передбачити вплив мутацій… майже неможливо” через те, наскільки складно взаємодіють численні частини ферменту aiche.org. Раціональний дизайн часто передбачав багато обґрунтованих припущень.
Спрямована еволюція: Коли здогадки не спрацьовують, чому б не дозволити алгоритму природи виконати роботу? Спрямована еволюція — це метод, який імітує природний добір у лабораторії, щоб розвивати кращі ферменти. Замість того, щоб робити одну цілеспрямовану зміну, вчені вносять випадкові мутації у ген ферменту та створюють бібліотеку тисяч варіантів. Потім вони відбирають або селекціонують варіанти, щоб знайти ті, які мають покращені властивості для певного завдання sigmaaldrich.com, businessinsider.com. Переможці можуть бути знову піддані мутаціям, і цикл повторюється, так само як еволюція створює краще пристосовані організми. Цей підхід був започаткований у 1990-х роках Френсіс Арнольд, яка отримала за це Нобелівську премію з хімії у 2018 році. Френсіс Арнольд визнала, що «більшість людей займалися білковою інженерією приречено на провал», тому вона спробувала інший шлях — «копіювати процес проектування природи, тобто еволюцію» businessinsider.com. Дозволяючи багатьом випадковим мутантам змагатися у експерименті на виживання найсильніших, дослідники можуть знаходити покращення ферментів, про які людина могла б ніколи не здогадатися. Девіз Арнольд для цього методу відомий як «Ви отримуєте те, що відбираєте» aiche.org — тобто головне розробити гарний тест для пошуку потрібної властивості. Спрямована еволюція «драматично прискорила темпи змін» у ферментах, стискаючи те, що в природі зайняло б мільйони років, у тижні чи місяці в лабораторії sigmaaldrich.com. Це було надзвичайно успішно: як підкреслив Нобелівський комітет, завдяки спрямованій еволюції вчені розробили ферменти, які використовуються у «всьому — від екологічно чистих мийних засобів і біопалива до ліків від раку.» businessinsider.com

На практиці інженери ферментів часто поєднують ці підходи. Вони можуть використовувати сайт-спрямований мутагенез для внесення кількох обґрунтованих змін (раціональний підхід), а потім застосовувати раунди спрямованої еволюції, щоб отримати неочікувані покращення. Сучасні методи також інтегрують обчислювальні інструменти: біоінформатичний аналіз і комп’ютерне моделювання можуть підказати, які мутації спробувати, або допомогти змоделювати структури ферментів.Уявіть, якби ми могли перепрограмувати власні мікроскопічні машини природи для вирішення людських проблем. Інженерія ферментів — це наука про перепроєктування ферментів — білків, які каталізують хімічні реакції життя — для надання їм нових або покращених функцій. Простими словами, це означає змінювати генетичний код ферменту, щоб він працював краще або інакше. Навіщо це потрібно? Тому що ферменти — це надзвичайні каталізатори: вони прискорюють хімічні реакції за м’яких умов, на відміну від багатьох промислових процесів, які потребують високих температур або токсичних хімікатів newsroom.uw.edu. Як пояснює біохімік Девід Бейкер, «Живі організми — дивовижні хіміки… вони використовують ферменти, щоб розщеплювати або синтезувати все, що їм потрібно, за м’яких умов. Нові ферменти можуть зробити відновлювані хімікати та біопаливо досяжними» newsroom.uw.edu. Іншими словами, якщо ми зможемо інженерувати ферменти, ми отримаємо екологічно чисті інструменти для революції у виробництві, енергетиці, медицині та інших сферах.

Важливість інженерії ферментів відображається в її стрімкому зростанні. Світовий ринок промислових ферментів становив близько 9 мільярдів доларів у 2019 році, а до 2027 року очікується зростання до 13,8 мільярда доларів pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Ці «чудо-молекули» вже використовуються у всьому — від пральних порошків до харчової промисловості, і попит на них зростає. Інженерія ферментів дозволяє нам розширювати межі їхніх природних можливостей — робити їх ефективнішими, стійкішими або пристосованими до нових завдань. Це має величезне значення: від виробництва ліків і екологічніших пластиків до очищення довкілля. Як зазначила Шведська королівська академія, вручаючи Нобелівську премію з хімії 2018 року, вчені «використали ті ж принципи — генетичні зміни та відбір — для створення білків, які вирішують хімічні проблеми людства» businessinsider.com. Коротко кажучи, використовуючи еволюцію та біоінженерію, інженери ферментів змінюють цілі галузі та вирішують глобальні виклики.

Далі ми розглянемо, що таке інженерія ферментів, як вона працює, її історію та основні методи, а також численні способи, якими вона змінює такі сфери, як медицина, сільське господарство, харчова промисловість, біотехнології та екологічна наука. Ми також висвітлимо останні досягнення (2024–2025) і цитати експертів, які очолюють цю революцію.

Що таке інженерія ферментів?

У своїй основі, інженерія ферментів (галузь білкової інженерії) означає модифікацію структури ферменту для зміни його функції або продуктивності khni.kerry.com. Ферменти — це ланцюги амінокислот, складені у складні 3D-форми. Їхня форма та хімічні властивості визначають, яку реакцію вони каталізують — наприклад, розщеплення крохмалю на цукор або копіювання ДНК. Інженери ферментів змінюють амінокислотну послідовність ферменту (змінюючи код ДНК), щоб фермент став краще пристосованим до певного завдання або навіть каталізував нову реакцію. Це може покращити такі властивості, як активність (швидкість), специфічність (вибір однієї цілі серед інших), стабільність (робота в жорстких умовах) або всі ці властивості одночасно khni.kerry.com.

Як науковці модифікують ферменти? Є дві основні стратегії:

Раціональний дизайн (сайт-спрямований мутагенез): Якщо ви знаєте, яка частина ферменту впливає на його функцію, ви можете цілеспрямовано змінити певні амінокислоти. Ця техніка, започаткована у 1980-х Майклом Смітом (Нобелівська премія 1993), називається сайт-спрямований мутагенез — по суті, це цілеспрямоване генетичне редагування гена ферменту nobelprize.org, nobelprize.org. Це схоже на проведення операції над ДНК ферменту: дослідники визначають «позицію» у ферменті для зміни, мутують цю літеру ДНК (кодон) і таким чином замінюють одну амінокислоту на іншу у ферменті. Цей метод був революційним, оскільки дозволив «перепрограмувати генетичний код» для створення білків із новими властивостями nobelprize.org. Спочатку вчені використовували його для дослідження структури та функції ферментів — наприклад, робили фермент більш стабільним, щоб він витримував промислові процеси, або модифікували антитіло, щоб воно могло націлюватися на ракові клітини nobelprize.org. Однак раціональний дизайн вимагає значних знань: потрібно передбачити, які зміни матимуть позитивний ефект, що складно через складність ферментів. Як зауважив один інженер ферментів, навіть сьогодні «передбачити вплив мутацій… майже неможливо» через складну взаємодію багатьох частин ферменту aiche.org. Раціональний дизайн часто передбачав багато обґрунтованих припущень.
Спрямована еволюція: Коли здогадки не спрацьовують, чому б не дозволити алгоритму природи виконати роботу? Спрямована еволюція — це метод, який імітує природний добір у лабораторії, щоб розвивати кращі ферменти. Замість того, щоб робити одну цілеспрямовану зміну, вчені вносять випадкові мутації у ген ферменту та створюють бібліотеку тисяч варіантів. Потім вони відбирають або селекціонують варіанти, щоб знайти ті, які мають покращені властивості для певного завдання sigmaaldrich.com, businessinsider.com. Ці переможці можуть бути знову піддані мутаціям, і цикл повторюється, так само як еволюція створює краще пристосовані організми. Цей підхід був започаткований у 1990-х роках Френсіс Арнольд, яка отримала за це Нобелівську премію з хімії у 2018 році. Френсіс Арнольд визнала, що «більшість людей займалися білковою інженерією приречено на провал», тому вона спробувала інший шлях — «копіювати процес проектування природи, тобто еволюцію» businessinsider.com. Дозволяючи багатьом випадковим мутантам змагатися у експерименті на виживання найсильніших, дослідники можуть знаходити покращення ферментів, про які людина ніколи б не здогадалася. Девіз Арнольд для цього методу відомий як «Ви отримуєте те, що відбираєте» aiche.org — тобто головне — розробити хороший тест для пошуку потрібної ознаки. Спрямована еволюція «драматично прискорила темпи змін», можливих у ферментах, стискаючи те, що в природі зайняло б мільйони років, у тижні чи місяці в лабораторії sigmaaldrich.com. Це було надзвичайно успішно: як підкреслив Нобелівський комітет, за допомогою спрямованої еволюції вчені розробили ферменти, які використовуються у «всьому: від екологічно чистих мийних засобів і біопалива до ліків від раку.»businessinsider.com

На практиці інженери ферментів часто поєднують ці підходи. Вони можуть використовувати сайт-спрямований мутагенез для внесення кількох обґрунтованих змін (раціональний підхід), а потім застосовувати раунди керованої еволюції, щоб отримати неочікувані покращення. Сучасні методи також інтегрують обчислювальні інструменти: біоінформатичний аналіз і комп’ютерне проектування можуть підказати, які мутації спробувати, або допомогти змоделювати структури ферментів pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Останніми роками досягнення в галузі машинного навчання та ШІ відкривають нову стратегію: проектування нових ферментів на комп’ютері з нуля. Наприклад, у 2023 році дослідники з Інституту дизайну білків Вашингтонського університету використали глибинне навчання, щоб винайти нові ферменти (люциферази, які випромінюють світло), що ніколи не існували в природі newsroom.uw.edu. Один із провідних науковців, Енді Хсієн-Вей Є, сказав: «Ми змогли спроєктувати дуже ефективні ферменти з нуля на комп’ютері… Це досягнення означає, що, в принципі, можна створити на замовлення ферменти майже для будь-якої хімічної реакції.» newsroom.uw.edu. Такий de novo дизайн ферментів ще десять років тому був далекою мрією — тепер це стає реальністю, відкриваючи двері в епоху ферментів, спроєктованих ШІ.

Коротка історія інженерії ферментів

Ферменти використовуються людьми тисячоліттями (навіть якщо несвідомо) — згадайте стародавнє пивоваріння, сироваріння чи бродіння хліба, де роботу виконують природні ферменти мікроорганізмів. Але наукове розуміння ферментів почалося у XIX столітті з досліджень травлення та хімії бродіння pmc.ncbi.nlm.nih.gov. До середини XX століття вчені з’ясували, що ферменти — це білки, і розшифрували їхню базову структуру та механізм каталізу реакцій. Це заклало теоретичний фундамент для інженерії ферментів pmc.ncbi.nlm.nih.gov: якщо ми розуміємо структуру ферменту, чи можемо ми змінити її під свої потреби?

Справжній прорив у цій галузі стався у кінці XX століття завдяки проривам у молекулярній біології. Два нобелівські досягнення 1970-80-х років заклали основу:

Технологія рекомбінантної ДНК (генна інженерія): Інструменти для розрізання, зшивання та клонування ДНК (започатковані Полом Бергом, Гербертом Бойєром, Стенлі Коеном тощо) дозволили вченим ізолювати та модифікувати гени ферментів. До 1980-х років стало можливим виробляти рекомбінантні ферменти — наприклад, отримувати людський інсулін або промислові ферменти у бактеріях чи дріжджах, що зробило ферменти значно доступнішими для експериментів і використання.
Спрямований мутагенез: Винайдений Майклом Смітом у 1970-х роках, цей метод дозволив навмисно змінювати окремі “літери” ДНК nobelprize.org. За це Майкл Сміт розділив Нобелівську премію з хімії 1993 року. Біохіміки раптово отримали можливість створювати конкретну мутацію в ферменті й спостерігати за ефектом, що значно покращило розуміння взаємозв’язку між структурою та функцією ферментів. У пресрелізі Нобелівського комітету 1993 року зазначалося, що «метод Сміта дозволяє перепрограмувати генетичний код… і замінювати конкретні амінокислоти в білках. …можливості створення білків із новими властивостями [змінилися] фундаментально.» nobelprize.org Це стало народженням цілеспрямованого дизайну білків. Перші успіхи включали модифікацію ферментів для стійкості до високих температур або інженерування антитіл (які є білками, що зв’язують) для націлювання на пухлини nobelprize.org – примітивні форми створення білків на замовлення для медицини та промисловості.

Однак раціональний дизайн у ті часи обмежувався нашим неповним знанням. У 1980-х роках багато вчених намагалися «обійти еволюцію», аналізуючи структури ферментів і передбачаючи корисні мутації, але часто це викликало розчарування aiche.org. Виявилося, що ферменти надзвичайно складні; зміна однієї частини часто мала непередбачувані наслідки для всього ферменту. Як зазначено в одному з оглядів, дослідники дізналися, що «ферменти не так просто зрозуміти» – «основна частина поліпептидного ланцюга» навколо активного центру також важлива для функції aiche.org. До кінця 1980-х років чисто раціональні зміни у ферментах давали лише скромні результати.

Прорив стався на початку 1990-х із появою керованої еволюції. У 1993 році Френсіс Г. Арнольд, розчарована невдалими раціональними проєктами, опублікувала першу демонстрацію еволюції ферменту шляхом випадкових мутацій і відбору для покращення його роботи. Протягом 1990-х і 2000-х років методи керованої еволюції стрімко розвивалися, чому сприяли такі винаходи, як помилково-спрямований ПЛР (для легкого внесення випадкових мутацій) і рекомбінація ДНК (об’єднання частин генів для поєднання корисних мутацій) sigmaaldrich.com. Дослідники також розробили методи високопродуктивного скринінгу та розумні системи відбору для пошуку бажаних властивостей у бібліотеках ферментів. Керована еволюція виявилася надзвичайно потужною для оптимізації активності, специфічності, стабільності ферментів – чого завгодно. Вона не вимагала детальних попередніх знань – лише гарної системи для створення різноманіття й пошуку переможців. Протягом наступних двох десятиліть цей підхід революціонізував інженерію ферментів як в академії, так і в промисловості. Ферменти еволюціонували для здійснення нових реакцій (навіть тих, що невідомі в природі), для роботи в неприродних умовах (наприклад, у токсичних розчинниках або при екстремальних pH), а також для покращення промислових процесів. «Еволюція — це простий і надзвичайно потужний алгоритм мутації та відбору», як зазначено в одній статті, — і тепер інженери могли застосовувати цей алгоритм за власним бажанням aiche.org. Встановлюючи відбір на те, що нам потрібно, ми фактично спонукаємо Природу винаходити рішення для нас.

Видатним досягненням у реальному світі стало розроблення компанією Merck (близько 2007–2010 рр.) еволюціонованого ферменту для синтезу ліків. Merck у співпраці з біотехнологічною компанією Codexis використала спрямовану еволюцію для вдосконалення ферменту з метою виробництва препарату від діабету ситагліптину. Кінцевий фермент (після кількох раундів еволюції) виконував ключовий хімічний етап із селективністю 99,95% і високим виходом, замінивши каталізатор із важких металів і скоротивши кількість етапів aiche.org. Ферментативний процес підвищив загальний вихід на 13% і зменшив хімічні відходи на 19%, а також усунув потребу у використанні водню під високим тиском і токсичних металів aiche.org. Це був рубіж, який показав, що інженерні ферменти можуть зробити виробництво фармацевтики більш екологічним і ефективним – і саме за це Арнольд та її колеги отримали престижну нагороду Greener Chemistry у 2010 році. Станом на 2018 рік вплив спрямованої еволюції був настільки значним, що Френсіс Арнольд, Грегорі Вінтер і Джордж Сміт отримали Нобелівську премію з хімії. Вінтер і Сміт розробили методи еволюції білків, таких як антитіла, за допомогою фагового дисплею, а Арнольд – для ферментів; разом вони продемонстрували, що «використання сили еволюції» може призводити до винаходів, таких як нові ліки, біопаливо та каталізаториbusinessinsider.com.

У XXI столітті інженерія ферментів лише прискорилася. Наприкінці 2010-х і на початку 2020-х років комп’ютерне проєктування білків зробило значний прорив (використовуючи програмне забезпечення на кшталт Rosetta для створення ферментів під конкретні реакції) і зросла роль ШІ в інженерії білків. Завдяки величезним базам даних білків і машинному навчанню вчені можуть передбачати структури ферментів (завдяки проривам на кшталт AlphaFold) і навіть генерувати нові послідовності ферментів із бажаними функціями newsroom.uw.edu. У 2022–2023 роках дослідники повідомили про використання глибокого навчання для створення нових ферментів з нуля (зокрема нових люцифераз, як згадувалося вище) newsroom.uw.edu. Тим часом такі методи, як безперервна спрямована еволюція і автоматизований високопродуктивний скринінг, роблять процес еволюції швидшим і менш трудомістким для людини biorxiv.org, sciencedirect.com. Сьогодні інженерія ферментів — це багатогранне поєднання біології, інженерії та науки про дані — зовсім не схоже на метод проб і помилок минулих десятиліть. Як зазначено в одному з галузевих звітів 2024 року, ми лише “торкнулися верхівки айсберга” у використанні ферментів — досліджено лише крихітну частку можливих ферментів, тож потенціал величезний khni.kerry.com.

Ключові методи інженерії ферментів

Інженери ферментів мають набір методів для створення вдосконалених ферментів. Ось деякі з основних технік і як вони працюють:

Спрямований мутагенез: Точний метод зміни конкретних амінокислот у ферменті. Вчені розробляють короткий ДНК-праймер із бажаною мутацією і використовують його для копіювання гена, вносячи зміну. Це схоже на редагування однієї літери в кресленні. Чудово підходить для перевірки гіпотез (наприклад, “чи зробить заміна цієї гліцину на аланін фермент більш стабільним?”) і для тонкого налаштування активних центрів ферменту. Спрямований мутагенез був першим методом інженерії білків і досі широко використовується nobelprize.org. Його обмеження полягає в тому, що ви повинні самі обирати мутацію — тож успіх залежить від того, наскільки вдалим буде ваш вибір.
Спрямована еволюція: Потужний метод, як описано раніше. Замість однієї цільової зміни створюють багато випадкових мутацій і відбирають кращий фермент. Ключові етапи включають створення бібліотеки варіантів (за допомогою помилково-спрямованої ПЛР, рекомбінації ДНК споріднених генів або інших методів мутагенезу sigmaaldrich.com) і системи скринінгу або селекції, щоб знайти покращені варіанти. Наприклад, якщо потрібен швидший фермент, можна відбирати колонії, які швидше змінюють колір субстрату, або якщо потрібен фермент, що працює при високій температурі, відбирати тих, що вижили після нагрівання. Спрямована еволюція може дати несподівані покращення – ферменти можуть отримати активність у 100 разів вищу, або пристосуватися до роботи у киплячій воді тощо. Це метод проб і помилок, керований сліпим пошуком еволюції, але надзвичайно ефективний. Як підсумовано в одній статті, “Directed evolution… generates random mutations in the gene of interest… mimics natural evolution by imposing stringent selection to identify proteins with optimized functionality” sigmaaldrich.com. Цей метод не вимагає знання структури ферменту, що є великою перевагою.
Високопродуктивний скринінг і селекція: Це не інженерні методи як такі, але ключові компоненти, особливо спрямованої еволюції. Вони включають техніки для швидкого тестування тисяч варіантів ферментів. Наприклад: колориметричні аналізи у мікропланшетах, сортування клітин за допомогою флуоресцентної активації (FACS) для відбору клітин з активними ферментами, фаговий дисплей для зв’язування білків з ДНК з метою селекції, або комплементація росту, коли лише покращені ферменти дозволяють бактеріям рости за певних умов sigmaaldrich.com. Чим кращий ваш метод скринінгу (“ви отримуєте те, що відбираєте” aiche.org), тим більше шансів знайти потрібний варіант ферменту.
Іммобілізація та хімічна модифікація: Іноді інженерія ферменту полягає не лише у зміні його амінокислот. Іммобілізація ферментів — це методика приєднання ферментів до твердих носіїв (наприклад, до кульок або смоли), що може підвищити стабільність і дозволяє повторно використовувати їх у промислових реакторах labinsights.n l. Хоча це не змінює послідовність ферменту, це інженерний підхід, щоб зробити ферменти більш практичними (вони не змиваються і часто краще витримують умови у іммобілізованому стані). Хімічні модифікації, такі як приєднання полімерів (ПЕГіляція) або зшивання молекул ферменту, також можуть покращити властивості, наприклад, стабільність або період напіврозпаду у лікарському засобі. Ці методи називають “другим поколінням” ферментних технологій з 1970-х років labinsights.nl, і вони доповнюють генетичні модифікації.
Комп’ютерний (in silico) дизайн: Швидко зростаючий підхід — використання комп’ютерних алгоритмів для створення нових ферментів або покращення існуючих. Моделюючи структури ферментів і фізику їхніх активних центрів, вчені намагаються передбачити мутації, які можуть створити бажану активність. Перші спроби у 2000-х роках часто були невдалими, але галузь просунулася вперед. Сьогодні програми можуть проектувати ферменти для певних реакцій (наприклад, реакції Дільса-Альдера у відомому дослідженні 2010 року), а потім ці конструкції створюють у лабораторії та тестують. Особливо, машинне навчання тепер допомагає орієнтуватися у величезному “просторі пошуку” можливих варіантів білків. У 2022 році команда розробила модель машинного навчання під назвою MutCompute, щоб спрямовувати мутації для ферменту, що розкладає пластик, і успішно значно підвищила його ефективність molecularbiosci.utexas.edu. І, як згадувалося, у 2023 році з’явилися перші ферменти, спроєктовані ШІ, які дійсно виконували нову хімію newsroom.uw.edu. Комп’ютерний дизайн все ще часто поєднується з реальною еволюцією/експериментами — ШІ може запропонувати кандидатів, але лабораторні випробування та доопрацювання (навіть еволюція) потім підтверджують і покращують їх. Проте тенденція йде до “інтелектуальної” інженерії ферментів, що підтримується великими даними. Експерти прогнозують, що у майбутньому комп’ютери зможуть надійно створювати “ідеальний фермент” для завдання, зменшуючи потребу у величезних бібліотеках для скринінгу aiche.org — хоча ми ще не зовсім там.

Поєднуючи ці методи, дослідники тепер можуть оптимізувати ферменти передбачуваним, повторюваним способом. Як підсумовує один огляд 2021 року, «сьогодні інженерія ферментів є зрілою галуззю, яка може передбачувано оптимізувати каталізатор для бажаного продукту… розширюючи спектр промислових застосувань ферментів.» aiche.org. Коротко кажучи, те, що раніше було експериментуванням методом спроб і помилок, дедалі більше стає раціональною, керованою даними інженерною дисципліною.

Застосування в медицині та фармацевтиці

Одним із найцікавіших впливів інженерії ферментів є медицина та розробка ліків. Ферменти відіграють роль у нашому організмі та у виробництві багатьох сучасних ліків. Завдяки інженерії ферментів вчені створюють нові методи лікування та вдосконалюють виробництво ліків:

Екологічніше виробництво ліків: Багато ліків — це складні органічні молекули, для синтезу яких традиційно потрібна багатоступенева хімічна синтеза (часто з використанням токсичних реагентів або дорогих умов). Модифіковані ферменти можуть виконувати ці перетворення чистіше. Яскравий приклад — виробництво сітагліптину (Januvia) для лікування діабету: компанія Merck оптимізувала фермент шляхом спрямованої еволюції, щоб замінити хімічний каталізатор у виробничому процесі. Результатом стала ефективніша реакція з вищим виходом і меншою кількістю небезпечних відходів aiche.org. Цей успіх продемонстрував, що «інженерія ферментів була ключовою» для оптимізації складного хімічного синтезу, досягнувши на 13% вищого виходу та на 19% менше відходів завдяки використанню еволюціонованого ферменту aiche.org. Відтоді багато фармацевтичних компаній впровадили ферментні каталізатори для виробництва ліків (наприклад, для виготовлення препарату для зниження холестерину аторвастатину та інших), значно зменшуючи вплив на довкілля та вартість.
Ферментні терапії: Деякі захворювання спричинені відсутністю або неправильною роботою ферментів в організмі (наприклад, лізосомні хвороби накопичення, коли пацієнту бракує певного ферменту для розщеплення певних метаболітів). Інженерія ферментів дозволяє створювати ферментні замісні терапії, які є безпечнішими та ефективнішими. Компанії модифікували ферменти, що використовуються як ліки (наприклад, ПЕГілірування ферменту для подовження його циркуляції в організмі або зміна амінокислот для зменшення імунних реакцій). Відомий випадок — фермент аспарагіназа, який використовують для лікування лейкемії шляхом позбавлення ракових клітин аспарагіну. Дослідники створили версію аспарагінази зі зменшеними побічними ефектами та підвищеною стабільністю, покращивши її терапевтичний профіль pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Аналогічно, лактазні ферменти модифікують і продають як добавки, щоб допомогти людям з непереносимістю лактози перетравлювати молочні продукти.
Біофармацевтика та біологічні препарати: Окрім класичних ферментів, широкий напрямок білкових терапевтичних засобів (антитіла, цитокіни тощо) також отримує переваги від методів білкової інженерії. Нобелівська премія 2018 року була присуджена Серу Грегорі Вінтеру за еволюцію антитіл за допомогою фагового дисплею – по суті, застосування інженерії ферментів/білків для розробки нових ліків, таких як Humira, найпродаваніший у світі препарат для лікування аутоімунних захворювань businessinsider.com. Ця робота є близькою родичкою інженерії ферментів. Насправді, у прес-релізі Нобелівського комітету було підкреслено, що ці методи дозволили створити “антитіла, які атакують рак” та інші прориви nobelprize.org. Сьогодні лабораторії рутинно використовують спрямовану еволюцію або раціональний дизайн для покращення зв’язування та специфічності антитіл-ліків.
Діагностика та біосенсори: Інженерні ферменти також є ключовими у медичній діагностиці. Згадайте тест-смужки для визначення глюкози в крові у діабетиків – вони використовують фермент глюкозооксидазу. Завдяки модифікації таких ферментів вчені покращили чутливість і стабільність діагностичних тестів. Ферменти у поєднанні з антитілами в ELISA-наборах або з електродами в біосенсорах можуть виявляти біомаркери на низьких рівнях. Наприклад, дослідники модифікували ферменти для кращого виявлення певних метаболітів або навіть вірусів у тестах для швидкої діагностики labinsights.nl. Як ми бачили під час COVID-19, ферменти, такі як полімерази для ПЛР та ферменти, пов’язані з CRISPR, були оптимізовані для швидкого виявлення вірусного генетичного матеріалу. Таким чином, інженерія ферментів сприяє швидшому та точнішому медичному тестуванню.
Нові терапевтичні стратегії: Деякі найсучасніші терапії буквально використовують ферменти як “ліки” для виконання нових завдань. Один із прикладів – використання бактеріального ферменту для фільтрації токсинів з крові у діалізних апаратах (вчені експериментували з ферментами, які розщеплюють уремічні токсини під час ниркового діалізу labinsights.nl). Інший приклад – терапія раку, яка використовує ферменти для активації хіміотерапевтичних препаратів лише у місці пухлини (фермент модифікують так, щоб він перетворював нетоксичний проліки у токсичний препарат у раковій тканині, не зачіпаючи здорові клітини). Також розробляються ферменти для руйнування захисної матриці навколо пухлин або для позбавлення пухлин поживних речовин – усі ці підходи є високотаргетованими і перебувають на стадії досліджень.

Підсумовуючи, інженерія ферментів допомагає робити ліки дешевшими та екологічнішими у виробництві, а також відкриває нові можливості для лікування та діагностики. Як висловився один із експертів: «можливості безмежні» — від управління відходами у фармацевтиці до доставки ліків безпосередньо в організм news.utexas.edu. І оскільки ферменти дуже специфічні, їх використання в медицині може зменшити побічні ефекти порівняно з грубими хімічними речовинами. Це значний крок до більш персоналізованої та стійкої системи охорони здоров’я.

Думка експерта: Оцінюючи загальну картину, лауреатка Нобелівської премії Френсіс Арнольд зазначила, що копіювання еволюційного процесу проектування природи відкрило світ нових медичних рішень. «Уся ця надзвичайна краса і складність біологічного світу виникає завдяки одному простому, прекрасному алгоритму проектування… Я використовую цей алгоритм, щоб створювати нові біологічні речі», сказала Арнольд businessinsider.com. Ці «нові біологічні речі» включають сучасні ферменти та білки, які зараз рятують життя.

Застосування в сільському господарстві та харчовій промисловості

Інженерія ферментів змінює те, як ми вирощуємо їжу, виробляємо її і навіть те, що ми їмо. У сільському господарстві та харчовій промисловості ферменти давно є робочими конячками (згадайте сичужний фермент у сирі чи амілази у випічці хліба). Тепер інженерні ферменти забезпечують більш стале, ефективне та поживне виробництво їжі:

Ріст і захист рослин: Фермери та агротехнологічні компанії використовують ферменти для покращення здоров’я ґрунту та рослин. Наприклад, рослинам потрібен фосфор, але більша його частина міститься в ґрунті у вигляді фітинової кислоти, яку тварини не можуть перетравити. Фітази — це ферменти, які вивільняють фосфат із фітинової кислоти; вчені створили фітази, які краще переносять високу температуру (щоб виживати у гранулах корму) і активніші в кишечнику. Додавання цих інженерних ферментів до корму для тварин значно підвищує засвоєння поживних речовин і зменшує забруднення фосфором із тваринних відходів link.springer.com, abvista.com. Також ведуться спроби створити трансгенні культури, які виробляють такі ферменти у своїх насінинах, роблячи самі культури більш поживними для тварин і людей pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Крім того, природні рослинні або мікробні ферменти, що захищають від шкідників чи хвороб, можна оптимізувати. Дослідники експериментували з ферментами, які руйнують грибкові токсини або хітинові покриви комах як екологічно чисті пестициди, хоча ці рішення ще перебувають на стадії розробки.
Обробка їжі та якість: Тут ферменти вже проявляють себе – від пивоваріння до розм’якшення м’яса – а інженерія ферментів підсилює ці можливості. Модифіковані ферменти допомагають ефективніше обробляти продукти та покращують їхню якість. Наприклад, ферменти у переробці крохмалю (для виробництва підсолоджувачів, таких як глюкозо-фруктозний сироп) традиційно мали обмеження по температурі та pH. Завдяки модифікації цих ферментів (наприклад, амілази, що розщеплюють крохмаль, і глюкозоізомерази, що перетворює глюкозу на фруктозу), компанії досягли обробки при вищих температурах та оптимальному pH, отримуючи солодший продукт з меншою кількістю домішок aiche.org. У молочній промисловості фермент хімозин (використовується у виробництві сиру) був одним із перших білків, отриманих за допомогою рекомбінантної ДНК; зараз існують версії, оптимізовані для різних смаків сиру або для виробництва вегетаріанського сиру. Лактаза – ще один фермент, який модифікували для ефективнішого створення безлактозного молока, оскільки він працює швидко при низьких температурах. У хлібопеченні модифіковані ферменти допомагають хлібу довше залишатися м’яким (античерствіючі амілази) та покращують обробку тіста. Пивоварна промисловість використовує модифіковані ферменти для підвищення виходу продукції та виробництва низьковуглеводного або безглютенового пива шляхом розщеплення певних компонентів.
Покращення харчової цінності: Ферменти можуть розщеплювати небажані сполуки та утворювати корисні. Наприклад, деякі овочі містять гіркі глюкозинолати; модифікований фермент міг би зменшити гіркоту, змінюючи ці сполуки (це гіпотетичне, але цілком можливе майбутнє застосування). Реальний приклад – олігосахариди грудного молока людини (HMO) – складні цукри у грудному молоці, що корисні для здоров’я кишківника немовлят. Їх важко синтезувати хімічно, але інженери-ферментологи розробили шляхи з використанням кількох ферментів для виробництва HMO для дитячих сумішей aiche.org. Оптимізуючи кожен фермент у цьому шляху (для підвищення активності та стабільності), компанії тепер можуть виробляти HMO, які раніше були доступні лише з материнського молока, приносячи харчову користь дітям на штучному вигодовуванні aiche.org.
Зменшення харчових відходів і безпечніша їжа: Ферменти також допомагають у збереженні продуктів. Модифіковані ферменти використовують, щоб хліб довше не пліснявів або щоб запобігти помутнінню фруктових соків. Наприклад, фермент, що розщеплює пектиновий осад у соку, можна зробити більш стійким, щоб він швидко працював при холодній обробці соку. Для підвищення безпеки кави можна додати фермент (як зазначено у звіті 2024 року), який руйнує акриламід – потенційний канцероген, що утворюється при обсмажуванні кавових зерен, – не впливаючи на смак khni.kerry.com. Завдяки модифікації таких ферментів для харчового використання та підвищення їхньої ефективності, ми можемо видаляти шкідливі речовини з продуктів. Подовження терміну зберігання – ще одна сфера: ферменти, що запобігають згіркненню жирів або пригнічують ріст мікроорганізмів, налаштовують для збереження свіжості продуктів довше, що зменшує відходи.
Нові харчові продукти: Інженерія ферментів дозволяє створювати нові інгредієнти. Наприклад, рослинна харчова промисловість використовує ферменти для розробки замінників м’яса та молочних продуктів. Ферменти можуть покращувати текстуру білків (наприклад, у рослинних бургерах) або синтезувати натуральні аромати. Модифікований трансглутаміназа (фермент “м’ясний клей”) використовується для з’єднання рослинних білків з метою імітації м’ясних волокон. Прецизійна ферментація – використання мікроорганізмів для виробництва харчових інгредієнтів – часто спирається на оптимізовані ферменти та шляхи. Тепер у нас є молочні білки (казеїн, сироватка), отримані шляхом ферментації дріжджів завдяки модифікованим ферментам і генам, які можна використовувати для виготовлення справжнього сиру без корів. Аналогічно, ферменти використовуються для виробництва підсолоджувачів (наприклад, ферментативний процес для здешевлення підсолоджувача з монашого фрукта або стевії RebM) khni.kerry.com. Багато з цих процесів були неможливі, поки інженерія ферментів не зробила біокаталізатори достатньо ефективними для комерційного використання.

Загалом, інженерія ферментів допомагає будувати більш стійку харчову систему, від ферми до столу. Вона підвищує врожайність і зменшує використання хімікатів у сільському господарстві, забезпечує чистіше харчове виробництво з меншими відходами і навіть відкриває нові продукти. У прогнозі харчової науки на 2024 рік зазначено, що спрямована еволюція ферментів забезпечує покращені функціональні властивості, які дозволяють виробникам створювати “більш здорові, смачні продукти з меншим впливом на довкілля” khni.kerry.com. Ферменти дозволяють нам замінити жорсткі промислові етапи м’якими біологічними процесами. Як сказав доктор Ніалл Хіггінс з Kerry, ферменти – це біокаталізатори природи, і ми лише починаємо розкривати їхній потенціал – поєднання їх з ШІ та біотехнологіями “позитивно змінить нашу харчову систему, створивши більш ефективний і стійкий харчовий ланцюг.” khni.kerry.com.

І так, це навіть стосується вашого повсякденного життя: той ферментний пральний засіб у вашій пральні (протеази, що розчиняють плями) або порошок для розм’якшення м’яса на вашій кухні (фермент папаїн) – це продукти інженерії ферментів, які полегшують щоденні завдання labinsights.nl. Тож наступного разу, коли ви насолоджуватиметесь пивом, сиром чи прозорим фруктовим соком, є велика ймовірність, що тут не обійшлося без модифікованого ферменту!

Промислова біотехнологія та екологічні застосування

Поза межами харчової та фармацевтичної галузей, інженерія ферментів революціонізує промислові процеси та пропонує рішення екологічних проблем. Промислова біотехнологія використовує ферменти для заміни традиційних хімічних каталізаторів у виробництві хімікатів, матеріалів і пального. А в екологічній науці інженерні ферменти пропонують нові способи розкладання забруднювачів, переробки відходів і навіть уловлювання парникових газів.

Чистіша промисловість завдяки ферментативним процесам

Традиційна промислова хімія може бути брудною – утворювати токсичні побічні продукти, споживати багато енергії та покладатися на невідновлювані каталізатори (наприклад, важкі метали). Ферменти забезпечують чистішу альтернативу, оскільки працюють у воді при помірних температурах і є біорозкладними. Інженерія ферментів допомагає адаптувати ферменти до промислових умов і нових субстратів:

Текстиль і мийні засоби: Ферменти стали справжньою знахідкою для пральної та текстильної промисловості. Інженерні протеази та амілази у пральних порошках розщеплюють білки та крохмаль у плямах, працюючи навіть при низьких температурах прання та різних рівнях pH. Компанії вдосконалили ці ферменти, щоб вони були стабільними у порошкових мийних засобах і при наявності відбілювача. Результат: ви можете прати одяг у холодній воді й видаляти складні плями, заощаджуючи енергію та воду. У текстильній промисловості ферменти замінюють агресивні хімікати для процесів, таких як “stone-washing” джинсів (використання целюлаз для надання деніму потертості) та біополірування тканин (для запобігання утворенню ворсу). Ці ферменти були сконструйовані так, щоб витримувати умови текстильної обробки (наприклад, сильне механічне тертя та певний pH). Легка промисловість застосовує ферменти – включаючи зневолосіння шкіри, відбілювання целюлози та паперу, а також виробництво біопалива з агровідходів – і ці застосування значно розширилися завдяки інженерним ферментам labinsights.nl.
Біопаливо та енергетика: Ферменти є ключовими для перетворення біомаси (наприклад, рослинних залишків, деревини чи водоростей) на біопаливо. Целюлази, які розщеплюють целюлозу на цукри, є вирішальними для виробництва целюлозного етанолу (відновлюваного пального). Природні целюлази були недостатньо ефективними або руйнувалися при температурах вище 50 °C. Завдяки інженерії зараз існують суміші целюлаз, які витримують високу температуру та кислі умови попередньої обробки, подвоюючи вихід цукрів із біомаси. Це робить виробництво біопалива більш життєздатним. В одному з досліджень вчені підвищили стабільність ферменту, що руйнує деревину, щоб він міг витримувати попередню обробку рослинної сировини й продовжувати працювати, значно знижуючи витрати. Також ведуться роботи над ферментами для виробництва біодизеля (ліпази, які перетворюють рослинні олії на біодизель), щоб зробити цей процес чистішим і фермент багаторазовим. У підсумку labinsights зазначається, що використання ферментів для виробництва пального, такого як водень, метан, етанол і метанол із рослинної сировини, є “новим напрямком досліджень” для сталого енергетичного майбутнього labinsights.nl. Особливо цінними тут є інженерні ферменти-екстремофіли (від термофільних мікроорганізмів), оскільки промислові біореактори для біопалива часто працюють при високих температурах.
Хімічний синтез («Зелена хімія»): Ми бачили на прикладі ситагліптину, як ферменти можуть замінювати металеві каталізатори. Багато тонких хімікатів і прекурсорів для пластмас також можна отримувати за допомогою біокаталізу, якщо фермент достатньо ефективний. Інженерія ферментів дозволила створити естерази та ліпази для виробництва косметики та харчових ароматичних естерів (замість корозійних кислотних каталізаторів), трансамінази та кеторедуктази для хірального хімічного синтезу у фармацевтиці (отримання молекул з однорукою конфігурацією з високою чистотою), а також навіть нітрилази для виробництва органічних кислот без небезпечних кислот. Огляд, проведений Американським хімічним товариством, підкреслив, що інженерні ферменти тепер виконують хімічні реакції, які раніше вважалися біологічно неможливими, забезпечуючи одностадійні шляхи до сполук, які раніше вимагали кількох етапів aiche.or g. Ця тенденція робить виробництво не лише екологічнішим, а й часто дешевшим, оскільки процеси потребують меншого очищення і проходять при нормальному тиску.

Інженерія ферментів для екологічних рішень

Можливо, найбільше надихає те, як інженерія ферментів застосовується для боротьби із забрудненням і допомоги довкіллю:

Ферменти, що поїдають пластик: У 2016 році японські вчені виявили бактерію (Ideonella sakaiensis), яка еволюціонувала, щоб поїдати ПЕТ-пластик (поширений у пляшках для води) theguardian.com. Вона виробляє фермент під назвою PETase, який може розщеплювати ПЕТ на його складові. Однак природний фермент був повільним – йому потрібно було кілька тижнів, щоб розкласти невеликий шматок пластику theguardian.com. Тут на сцену виходять інженери-ферментологи: кілька дослідницьких груп по всьому світу почали мутувати та еволюціонувати PETase, щоб зробити його швидшим і стабільнішим. До 2020 року команда створила мутанта, який був приблизно в 6 разів швидшим. Потім у 2022 році прорив в Університеті Техасу в Остіні призвів до появи варіанту PETase під назвою FAST-PETase, який міг деполімеризувати пластикові відходи всього за 24 години за помірних умов news.utexas.edu. Цей фермент був розроблений за допомогою алгоритму машинного навчання (для виявлення корисних мутацій), а потім протестований і вдосконалений у лабораторії news.utexas.edu. Гал Алпер, керівник проєкту, сказав: “Можливості безмежні для різних галузей, щоб використати це… Завдяки таким більш сталим ферментним підходам ми можемо почати уявляти справжню циркулярну економіку пластику.” news.utexas.edu. Іншими словами, ферменти можуть дозволити нам переробляти пластик нескінченно, розкладаючи його до сировини і синтезуючи знову, замість того щоб викидати чи спалювати. Це змінює правила гри у боротьбі з пластиковим забрудненням. Як зазначив інший дослідник, Енді Пікфорд, про оригінальний фермент PETase: “фермент Ideonella насправді знаходиться на дуже ранньому етапі свого еволюційного розвитку… Завдання людських вчених – довести його до кінця.” theguardian.com. Ми спостерігаємо саме це – еволюцію під керівництвом людини, яка перетворює повільного “гризуна” пластику на ненаситного переробника пластику. Компанії та стартапи (наприклад, Protein Evolution, згідно з матеріалом Forbes за 2023 рік) вже використовують ШІ та спрямовану еволюцію для створення ферментів, які перетравлюють різні види пластику та полімерів, потенційно вирішуючи наші проблеми зі сміттєзвалищами та відходами в океані pmc.ncbi.nlm.nih.gov.
Очищення навколишнього середовища: Окрім пластиків, інженерні ферменти можуть розкладати й інші забруднювачі. Наприклад, ферменти під назвою лакази та пероксидази (отримані з грибів і бактерій) здатні руйнувати токсичні барвники у стічних водах текстильної промисловості та навіть деякі пестициди. Ці ферменти були модифіковані для підвищення стабільності у присутності забруднювачів і роботи при вищих значеннях pH промислових стоків phys.org. Ще одна ціль — нафтові розливи: вчені вдосконалюють ферменти, такі як алкангідроксилази, які розщеплюють вуглеводні в нафті, щоб допомогти біоремедіації розливів. Тривають дослідження ферментів, які могли б руйнувати PFAS («вічні хімікати») — дуже стійкі хімічні забруднювачі — шляхом модифікації природних ферментів, що атакують подібні зв’язки. Хоча це складно, кілька лабораторій повідомили про перші успіхи у створенні ферментів, здатних повільно руйнувати певні сполуки PFAS (це новий напрямок станом на 2025 рік).
Вловлювання вуглецю та клімат: Ферменти можуть навіть допомогти у боротьбі зі зміною клімату. Одна з ідей — використання ферментів, що фіксують вуглець (наприклад, рубіско або карбонатдегідраза) для ефективнішого захоплення CO₂. Природний рубіско у рослин працює не дуже швидко, тому вчені намагаються модифікувати його або пересаджувати ефективніші версії з бактерій у сільськогосподарські культури. Прогрес поки що помірний, але навіть невелике підвищення ефективності фіксації CO₂ може покращити врожайність або виробництво біопалива. Карбонатдегідразу, яка перетворює CO₂ на бікарбонат, вдосконалили для роботи у промислових рішеннях із вловлювання вуглецю, допомагаючи затримувати CO₂ з викидів електростанцій. Огляд 2023 року відзначив використання інженерних ферментів для покращення вловлювання та утилізації вуглецю, назвавши це ключовою сферою для сталого розвитку pmc.ncbi.nlm.nih.gov, longdom.org. Хоча ферменти самі по собі не вирішать проблему зміни клімату, вони є цінними інструментами для управління вуглецем і створення вуглецево-нейтральних видів палива (через ферментативну переробку CO₂ у хімічні речовини).
Очищення стічних вод: Ферменти використовують для очищення стічних і каналізаційних вод шляхом розщеплення органічних речовин і токсинів. Наприклад, органофосфатгідролази були модифіковані для руйнування нервово-паралітичних агентів і пестицидів у воді. Нітрилази та дегідрогенази можуть знешкоджувати промислові розчинники. Завдяки підвищенню активності та спектру дії цих ферментів, очисні споруди можуть ефективніше нейтралізувати шкідливі хімікати до скидання води. В одному з випадків дослідники модифікували фермент для розщеплення поширеного забруднювача ґрунтових вод (1,2-дихлоретану), досягнувши швидшої дезактивації. Ферменти пропонують біоремедіаційний підхід, який іноді можна реалізувати на місці, просто додаючи фермент або мікроорганізми, що його продукують.

Від промислового каталізу до очищення навколишнього середовища, інженерія ферментів забезпечує чистіші, безпечніші та часто дешевші рішення. Це відповідає принципам сталого розвитку – використання відновлюваних біологічних каталізаторів замість агресивних хімікатів. Як висловилася Королівська шведська академія, лауреати Нобелівської премії 2018 року показали, як спрямована еволюція може створювати «білки, які вирішують хімічні проблеми людства» businessinsider.com. Ми бачимо це на практиці в цих прикладах: чи то «хімічна проблема» – це забруднюючий виробничий процес, чи токсичний забруднювач, інженерні ферменти стають вирішувачами проблем.

Щоб навести яскравий сучасний приклад, згадаємо, що сказав Ендрю Елінгтон (біохімік, який брав участь у роботі над FAST-PETase): «Ця робота дійсно демонструє силу об’єднання різних дисциплін – від синтетичної біології до хімічної інженерії та штучного інтелекту». news.utexas.edu Інженерія ферментів справді знаходиться на перетині дисциплін – і такі історії успіху, як фермент, що «їсть» пластик, є свідченням цієї колективної сили.

Останні прориви (2024–2025) та майбутні перспективи

Станом на 2024–2025 роки інженерія ферментів розвивається шаленими темпами завдяки новим технологіям. Ось деякі ключові тенденції та прориви за останній рік-два, які вказують, куди рухається ця галузь:

Ферменти, спроєктовані ШІ: Важливою віхою на початку 2023 року стало повідомлення дослідників про перші ферменти, створені повністю за допомогою ШІ, які працюють так само добре, як і природні newsroom.uw.edu. Навчаючи моделі глибокого навчання на базах даних послідовностей білків, вчені тепер можуть генерувати нові структури ферментів, спеціально пристосовані для зв’язування з певними молекулами. У статті в Nature “De novo design of luciferases using deep learning” це було продемонстровано шляхом створення ферментів, які випромінюють світло (люциферази) для обраних хімічних субстратів newsroom.uw.edu. Ці ферменти, спроєктовані ШІ, після деякого лабораторного доопрацювання, виявилися ефективнішими, ніж деякі з тих, що зустрічаються в природі newsroom.uw.edu. Це досягнення свідчить, що в недалекому майбутньому, якщо у вас є задумана хімічна реакція, ви зможете попросити ШІ “уявити” для неї фермент. Як зазначив доктор Девід Бейкер, це може дозволити створювати індивідуальні ферменти майже для будь-якої реакції, що принесе користь “біотехнології, медицині, екологічній ремедіації та виробництву” newsroom.uw.edu. Декілька стартапів (таких як Catalyze і ProteinQure) вже працюють у цій сфері, прагнучи скоротити цикл розробки ферментів за допомогою алгоритмів.
Системи безперервної еволюції: Традиційна спрямована еволюція є поетапною та трудомісткою – мутація, експресія, скринінг, повторення. Нові методи автоматизують цей процес, наприклад, системи безперервної спрямованої еволюції, де бактерії або фаги мутують цільовий ген у реальному часі під час реплікації. У 2024 році дослідники представили вдосконалені системи (такі як MutaT7 та інші), які можуть еволюціонувати ферменти безперервно всередині живих клітин, що значно прискорює процес biorxiv.org s, ciencedirect.com. Один із таких методів поєднував активність ферменту з ростом клітини, тож виживали й розмножувалися лише клітини з кращим ферментом – це елегантний відбір, який тривав багато поколінь і дозволив отримати високооптимізований фермент за кілька днів замість місяців journals.asm.org. Автоматизація та мікрофлюїдика також використовуються для проведення спрямованої еволюції з мінімальним втручанням людини, що в майбутньому може зробити оптимізацію ферментів переважно роботизованим процесом.
Гібридні підходи (машинне навчання + еволюція): Вчені поєднують ШІ з лабораторною еволюцією в замкнутому циклі. У одному звіті 2022 року модель машинного навчання підказувала, які мутації слід зробити (навчаючись на даних кожного раунду), і така спрямована еволюція дозволила отримати кращий фермент за меншу кількість раундів molecularbiosci.utexas.edu. Такий підхід «активного навчання» стає популярним – по суті, алгоритм прогнозує перспективні мутації, їх тестують, дані повертають у модель, і вона оновлює свої прогнози. Це дозволяє зменшити розміри бібліотек і зосередитися на корисних змінах. Зі зростанням наборів даних про ферменти ці моделі стають розумнішими. Очікується, що до 2025 року і далі більшість кампаній спрямованої еволюції певною мірою використовуватимуть ШІ, роблячи пошук ефективнішим.
Розширення інструментарію ферментів: Відкриваються нові ферменти з екстремальних середовищ (гарячі джерела, глибоководні жерла, полярний лід), які мають цікаві властивості (так звані екстремозими). У 2024 році група дослідників повідомила про створення ферменту з глибоководного мікроорганізму, який працює в промисловому каталізі при 5 °C, що відкриває можливості для енергозберігаючих процесів (немає потреби нагрівати реактори) pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Також зростає інтерес до штучних ферментів – це не білки, а спеціально створені молекули (наприклад, ДНК-ферменти або пептидні каталізатори). Однак білкові ферменти залишаються основними «робочими конячками» завдяки еволюційній перевазі.
Вирішення медичних викликів: Інженерія ферментів залишається на передовій медичних інновацій. Недавній прорив (2025) – створений фермент, який може долати гематоенцефалічний бар’єр і розщеплювати токсичний метаболіт у мозку, що відкриває потенціал для лікування рідкісного неврологічного захворювання (це гіпотетичний приклад активного напрямку досліджень). Також наприкінці 2024 року вчені повідомили про високоефективний варіант ферменту CRISPR-Cas, який має надзвичайно низьку позамішену активність, що робить редагування генів точнішим – цей варіант отримано шляхом спрямованої еволюції і він може підвищити безпеку CRISPR-терапій.
Регулювання та суспільне сприйняття: З великою силою приходить і відповідальність, і огляд перспектив був би неповним без згадки про регулювання та громадську думку. Ферменти, які використовуються у харчовій промисловості або випускаються в довкілля, проходять оцінку безпеки. Регулятори в ЄС та США загалом підтримують такі продукти, оскільки ферменти часто замінюють агресивні хімікати. Проте ферменти, отримані з ГМО-мікроорганізмів, у деяких юрисдикціях мають маркуватися. Суспільне сприйняття високе, коли переваги (наприклад, менше забруднення, краща якість харчування) очевидні, але прозорість є ключовою. Експерти прогнозують «зростаючу увагу до регуляторного ландшафту» у міру того, як все більше продуктів з інженерних мікроорганізмів з’являється у харчовій промисловості та сільському господарстві khni.kerry.com. Постійним завданням буде комунікація безпеки та переваг ферментних технологій.

На завершення, інженерія ферментів переживає хвилю технологічних досягнень, і ми, ймовірно, побачимо ще швидші та радикальніші розробки у найближчі роки. Як зазначалося в одному з заголовків 2023 року, «Вчені використовують ШІ, щоб вигадувати штучні ферменти» singularityhub.com – і ці мрії стають реальністю в лабораторії. Синергія біології та технологій тут є глибокою: еволюція (алгоритм проектування природи) тепер доповнюється людськими алгоритмами проектування.

Підсумкові думки

Інженерія ферментів, можливо, не така відома широкому загалу, як редагування генів чи ШІ, але її вплив, безперечно, не менш масштабний. Завдяки використанню та вдосконаленню природних каталізаторів, ми змінюємо галузі, що стосуються кожного аспекту повсякденного життя – від ліків, які ми приймаємо, до їжі, яку їмо, одягу, який носимо, і довкілля, в якому живемо. І це відбувається так, що ці процеси часто стають чистішими та більш сталими.

Як ще раз процитувати лауреатку Нобелівської премії Френсіс Арнольд: «Інновації через еволюцію: втілення нової хімії в життя». aiche.org Інженерія ферментів уособлює цю фразу. Вона використовує інновації, натхненні еволюцією, щоб створювати нову хімію – чи то ліки, що рятують життя, чи фермент, який розкладає пластик. Галузь має багату історію проривів і зараз переживає небувалий сплеск інновацій. Станом на 2025 рік ми спостерігаємо трансформацію у способах вирішення проблем за допомогою біології. Інженери-ферментологи, по суті, створюють рішення, які є розумнішими, екологічнішими та більш узгодженими з самою природою життя. І ця ферментна революція лише починається.

Коротка історія інженерії ферментів

Ферменти використовуються людьми тисячоліттями (навіть якщо й несвідомо) – згадайте стародавнє пивоваріння, сироваріння чи бродіння хліба, де роботу виконують природні ферменти мікроорганізмів. Але наукове розуміння ферментів почалося у XIX столітті з досліджень травлення та хімії бродіння pmc.ncbi.nlm.nih.gov. До середини XX століття вчені з’ясували, що ферменти – це білки, і розшифрували їхню базову структуру та механізм каталізу реакцій. Це заклало теоретичний фундамент для інженерії ферментів pmc.ncbi.nlm.nih.gov: якщо ми розуміємо структуру ферменту, чи можемо ми змінити її під свої потреби?

Справжній прорив у галузі стався у кінці XX століття завдяки проривам у молекулярній біології. Два нобелівські досягнення 1970-80-х років заклали основу:

Рекомбінантна ДНК-технологія (генна інженерія): Інструменти для розрізання, зшивання та клонування ДНК (започатковані Полом Бергом, Гербертом Бойєром, Стенлі Коеном тощо) дозволили вченим ізолювати та модифікувати гени для ферментів. До 1980-х років стало можливим виробляти рекомбінантні ферменти – наприклад, виготовляти людський інсулін або промислові ферменти у бактеріях чи дріжджах, що зробило ферменти значно доступнішими для експериментів і використання.
Сайт-спрямований мутагенез: Винайдений Майклом Смітом у 1970-х роках, цей метод дозволив навмисно змінювати окремі “букви” у ДНК nobelprize.org. За це Майкл Сміт розділив Нобелівську премію з хімії 1993 року. Біохіміки раптово отримали змогу створювати конкретну мутацію у ферменті й спостерігати ефект, що значно покращило розуміння взаємозв’язку структура-функція ферментів. У пресрелізі Нобелівського комітету 1993 року зазначалося, що “метод Сміта дозволяє перепрограмувати генетичний код… і замінювати конкретні амінокислоти у білках. …можливості створення білків із новими властивостями [змінилися] фундаментально.” nobelprize.org Це стало народженням навмисного дизайну білків. Перші успіхи включали модифікацію ферментів для стійкості до високих температур або інженерування антитіл (які є білками-зв’язувачами) для націлювання на пухлини nobelprize.org – примітивні форми створення білків на замовлення для медицини та промисловості.

Однак раціональний дизайн у ті часи обмежувався нашим неповним знанням. У 1980-х багато вчених намагалися “скорочувати еволюцію”, аналізуючи структури ферментів і передбачаючи корисні мутації, але часто це було розчаруванням aiche.org. Виявилося, що ферменти надзвичайно складні; зміна однієї частини часто мала непередбачувані наслідки для всього ферменту. Як зазначено в одному з оглядів, дослідники дізналися, що “ферменти не так просто зрозуміти” – “основна маса поліпептидного ланцюга” навколо активного центру також важлива для функції aiche.org. До кінця 1980-х років лише скромних успіхів було досягнуто завдяки суто раціональним змінам ферментів.

Прорив настав на початку 1990-х років із керованою еволюцією. У 1993 році Френсіс Г. Арнольд, розчарована невдалими раціональними проєктами, опублікувала першу демонстрацію еволюції ферменту шляхом випадкових мутацій і скринінгу для покращення його роботи. Протягом 1990-х і 2000-х років методи керованої еволюції стрімко розвивалися, чому сприяли такі винаходи, як помилково-сприятливий ПЛР (для легкого внесення випадкових мутацій) і перемішування ДНК (рекомбінація частин генів для поєднання корисних мутацій) sigmaaldrich.com. Дослідники також розробили методи високопродуктивного скринінгу та розумні селекції для відбору бажаних властивостей у бібліотеках ферментів. Керована еволюція виявилася надзвичайно потужною для оптимізації активності, специфічності, стабільності ферментів – чого завгодно. Вона не вимагала детальних попередніх знань – лише гарної системи для створення різноманіття і пошуку переможців. Протягом наступних двох десятиліть цей підхід революціонізував інженерію ферментів як в академії, так і в промисловості. Ферменти еволюціонували для здійснення нових реакцій (навіть невідомих у природі), для роботи в неприродних середовищах (наприклад, у токсичних розчинниках або при екстремальних pH), а також для покращення промислових процесів. «Еволюція – це простий і надзвичайно потужний алгоритм мутації та відбору», як зазначено в одній статті, – і тепер інженери могли застосовувати цей алгоритм за власним бажанням aiche.org. Встановлюючи відбір на те, що нам потрібно, ми фактично спонукаємо Природу винаходити рішення для нас.

Видатним досягненням у реальному світі стало розробка компанією Merck (близько 2007–2010 рр.) еволюціонованого ферменту для синтезу ліків. Merck у співпраці з біотехнологічною компанією Codexis використала спрямовану еволюцію для вдосконалення ферменту з метою виробництва препарату від діабету ситагліптину. Кінцевий фермент (після кількох раундів еволюції) виконував ключовий хімічний етап із селективністю 99,95% і високим виходом, замінивши каталізатор із важких металів і скоротивши кількість етапів aiche.org. Ферментативний процес підвищив загальний вихід на 13% і зменшив хімічні відходи на 19%, а також усунув потребу у використанні водню під високим тиском і токсичних металів aiche.org. Це був рубіж, який показав, що інженерні ферменти можуть зробити виробництво фармацевтики більш екологічним і ефективним – і саме за це Арнольд та її колеги отримали престижну нагороду за зелену хімію у 2010 році. Станом на 2018 рік вплив спрямованої еволюції був настільки значним, що Френсіс Арнольд, Грегорі Вінтер і Джордж Сміт були удостоєні Нобелівської премії з хімії. Вінтер і Сміт розробили методи еволюції білків, таких як антитіла, за допомогою фагового дисплею, а Арнольд – для ферментів; разом вони продемонстрували, що «використання сили еволюції» може призводити до винаходів, таких як нові ліки, біопаливо та каталізаториbusinessinsider.com.

У XXI столітті інженерія ферментів лише прискорилася. Наприкінці 2010-х і на початку 2020-х комп’ютерний дизайн білків зробив значний прорив (використовуючи програмне забезпечення на кшталт Rosetta для створення ферментів для конкретних реакцій) і зросла роль ШІ в білковій інженерії. Завдяки величезним базам даних білків і машинному навчанню вчені можуть передбачати структури ферментів (завдяки проривам на кшталт AlphaFold) і навіть генерувати нові послідовності ферментів із бажаними функціями newsroom.uw.edu. У 2022–2023 роках дослідники повідомили про використання глибинного навчання для створення нових ферментів з нуля (зокрема нових люцифераз, як згадувалося вище) newsroom.uw.edu. Тим часом такі методи, як безперервна спрямована еволюція і автоматизований високопродуктивний скринінг, роблять процес еволюції швидшим і менш трудомістким biorxiv.org, sciencedirect.com. Сьогодні інженерія ферментів — це поєднання біології, інженерії та науки про дані — зовсім не схоже на метод проб і помилок минулих десятиліть. Як зазначено в одному галузевому звіті 2024 року, ми лише “торкнулися верхівки айсберга” у використанні ферментів — досліджено лише крихітну частку можливих ферментів, тож потенціал величезний khni.kerry.com.

Ключові методи інженерії ферментів

Інженери ферментів мають набір методів для створення покращених ферментів. Ось деякі з основних технік і як вони працюють:

Сайт-спрямований мутагенез: Точний метод зміни конкретних амінокислот у ферменті. Вчені розробляють короткий ДНК-праймер із бажаною мутацією і використовують його для копіювання гена, вносячи зміну. Це схоже на редагування однієї літери в кресленні. Чудово підходить для перевірки гіпотез (наприклад, “чи зробить заміна цієї гліцину на аланін фермент більш стабільним?”) і для тонкого налаштування активних центрів ферменту. Сайт-спрямований мутагенез був першим методом білкової інженерії і досі широко використовується nobelprize.org. Його обмеження полягає в тому, що ви повинні самі обрати мутацію — тож успіх залежить від того, наскільки вдалим буде ваше припущення.
Спрямована еволюція: Потужний метод, як описано раніше. Замість однієї цільової зміни створюють багато випадкових мутацій і відбирають кращий фермент. Ключові етапи включають створення бібліотеки варіантів (за допомогою помилково-спрямованої ПЛР, рекомбінації ДНК споріднених генів або інших методів мутагенезу sigmaaldrich.com) і системи скринінгу або селекції, щоб знайти покращені варіанти. Наприклад, якщо потрібен швидший фермент, можна відбирати колонії, які швидше змінюють колір субстрату, або якщо потрібен фермент, що працює при високій температурі, відбирати тих, що вижили після нагрівання. Спрямована еволюція може дати несподівані покращення – ферменти з активністю у 100 разів вищою, або здатні працювати у киплячій воді тощо. Це метод проб і помилок, керований сліпим пошуком еволюції, але надзвичайно ефективний. Як підсумовано в одній статті, “Directed evolution… generates random mutations in the gene of interest… mimics natural evolution by imposing stringent selection to identify proteins with optimized functionality” sigmaaldrich.com. Цей метод не вимагає знання структури ферменту, що є великою перевагою.
Високопродуктивний скринінг і селекція: Це не інженерні методи як такі, але ключові компоненти, особливо для спрямованої еволюції. Вони включають техніки для швидкого тестування тисяч варіантів ферментів. Наприклад: колориметричні аналізи у мікропланшетах, сортування клітин за допомогою флуоресцентної активації (FACS) для відбору клітин з активними ферментами, фаговий дисплей для зв’язування білків з ДНК з метою селекції, або комплементація росту, коли лише покращені ферменти дозволяють бактеріям рости за певних умов sigmaaldrich.com. Чим кращий ваш метод скринінгу (“ви отримуєте те, що скринінгуєте” aiche.org), тим більше шансів знайти потрібний варіант ферменту.
Іммобілізація та хімічна модифікація: Іноді інженерія ферменту полягає не лише у зміні його амінокислот. Іммобілізація ферментів — це методика приєднання ферментів до твердих носіїв (наприклад, до кульок або смоли), що може підвищити стабільність і дозволяє повторно використовувати їх у промислових реакторах labinsights.nl l. Хоча послідовність ферменту не змінюється, це інженерний підхід, щоб зробити ферменти більш практичними (вони не змиваються і часто краще витримують умови при іммобілізації). Хімічні модифікації, такі як приєднання полімерів (ПЕГіляція) або зшивання молекул ферменту, також можуть покращити властивості, наприклад, стабільність або період напіврозпаду в лікарському засобі. Ці методи називають “ферментними технологіями другого покоління” з 1970-х років labinsights.nl, і вони доповнюють генетичні модифікації.
Комп’ютерний (in silico) дизайн: Швидко зростаючий підхід — використання комп’ютерних алгоритмів для створення нових ферментів або покращення існуючих. Моделюючи структури ферментів і фізику їхніх активних центрів, вчені намагаються передбачити мутації, які можуть створити бажану активність. Перші спроби у 2000-х часто були невдалими, але галузь просунулася вперед. Сьогодні програми можуть проектувати ферменти для певних реакцій (наприклад, реакція Дільса-Альдера у відомому дослідженні 2010 року), а потім ці конструкції створюють у лабораторії та тестують. Особливо, машинне навчання тепер допомагає орієнтуватися у величезному “просторі пошуку” можливих варіантів білків. У 2022 році команда розробила модель машинного навчання під назвою MutCompute, щоб керувати мутаціями для ферменту, що розкладає пластик, і успішно значно підвищила його ефективність molecularbiosci.utexas.edu. І, як згадувалося, у 2023 році з’явилися перші ферменти, спроєктовані ШІ, які дійсно виконували нову хімію newsroom.uw.edu. Комп’ютерний дизайн все ще часто поєднується з реальною еволюцією/експериментами — ШІ може запропонувати кандидатів, але лабораторні випробування та доопрацювання (навіть еволюція) потім підтверджують і покращують їх. Проте тенденція йде до “інтелектуальної” інженерії ферментів, яку підтримують великі дані. Експерти прогнозують, що в майбутньому комп’ютери зможуть надійно проектувати “ідеальний фермент” для завдання, зменшуючи потребу у величезних бібліотеках для скринінгуaiche.org — хоча ми ще не зовсім там.

Поєднуючи ці методи, дослідники тепер можуть оптимізувати ферменти передбачуваним, повторюваним способом. Як підсумовує один огляд 2021 року, «сьогодні інженерія ферментів — це зріла галузь, яка може передбачувано оптимізувати каталізатор для бажаного продукту… розширюючи спектр промислових застосувань ферментів» aiche.org. Коротко кажучи, те, що раніше було експериментами навмання, дедалі більше стає раціональною, керованою даними інженерною дисципліною.

Застосування в медицині та фармацевтиці

Одним із найцікавіших впливів інженерії ферментів є її роль у медицині та розробці ліків. Ферменти відіграють роль у нашому організмі та у виробництві багатьох сучасних ліків. Завдяки інженерії ферментів вчені створюють нові терапії та вдосконалюють виробництво ліків:

Екологічніше виробництво ліків: Багато ліків — це складні органічні молекули, які традиційно потребують багатоступеневого синтезу (часто з використанням токсичних реагентів або дорогих умов). Модифіковані ферменти можуть виконувати ці перетворення чистіше. Яскравий приклад — виробництво сітагліптину (Januvia) для лікування діабету: компанія Merck оптимізувала фермент шляхом спрямованої еволюції, щоб замінити хімічний каталізатор у виробничому процесі. Результатом стала ефективніша реакція з вищим виходом і меншою кількістю небезпечних відходів aiche.org. Цей успіх продемонстрував, що «інженерія ферментів була ключовою» для оптимізації складного хімічного синтезу, досягнувши на 13% вищого виходу та на 19% менше відходів завдяки використанню модифікованого ферменту aiche.org. Відтоді багато фармацевтичних компаній впровадили ферментні каталізатори для виробництва ліків (наприклад, при виготовленні препарату для зниження холестерину аторвастатину та інших), що суттєво зменшило вплив на довкілля та витрати.
Ферментні терапії: Деякі захворювання спричинені відсутністю або неправильною роботою ферментів в організмі (наприклад, лізосомні хвороби накопичення, коли у пацієнта бракує певного ферменту для розщеплення певних метаболітів). Інженерія ферментів дозволяє створювати терапії заміщення ферментів, які є безпечнішими та ефективнішими. Компанії модифікували ферменти, що використовуються як ліки (наприклад, ПЕГілірування ферменту для подовження його циркуляції в організмі або зміна амінокислот для зменшення імунної відповіді). Відомий випадок — фермент аспарагіназа, який застосовується для лікування лейкемії шляхом позбавлення ракових клітин аспарагіну. Дослідники створили версію аспарагінази зі зниженими побічними ефектами та підвищеною стабільністю, покращивши її терапевтичний профіль pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Аналогічно, ферменти лактази модифікують і продають як добавки, щоб допомогти людям з непереносимістю лактози перетравлювати молочні продукти.
Біофармацевтика та біологічні препарати: Окрім класичних ферментів, широкий напрямок білкових терапевтиків (антитіла, цитокіни тощо) також отримує переваги від методів білкової інженерії. Нобелівська премія 2018 року була присуджена Серу Грегорі Вінтеру за еволюцію антитіл за допомогою фагового дисплею – по суті, застосування білкової/ферментної інженерії для розробки нових ліків, таких як Humira, найпродаваніший у світі препарат для лікування аутоімунних захворювань businessinsider.com. Ця робота є близькою родичкою інженерії ферментів. Насправді, у прес-релізі Нобелівського комітету було підкреслено, що ці методи дозволили створити “антитіла, які атакують рак” та інші прориви nobelprize.org. Сьогодні лабораторії рутинно використовують спрямовану еволюцію або раціональний дизайн для покращення зв’язування та специфічності антитіл-ліків.
Діагностика та біосенсори: Інженерні ферменти також є ключовими у медичній діагностиці. Згадайте тест-смужки для визначення глюкози в крові у діабетиків – вони використовують фермент глюкозооксидазу. Завдяки модифікації таких ферментів вчені підвищили чутливість і стабільність діагностичних тестів. Ферменти у поєднанні з антитілами в ELISA-наборах або з електродами в біосенсорах можуть виявляти біомаркери на низьких рівнях. Наприклад, дослідники модифікували ферменти для кращого виявлення певних метаболітів або навіть вірусів у тестах біля ліжка пацієнта labinsights.nl. Як ми бачили під час COVID-19, ферменти, такі як полімерази для ПЛР та ферменти, асоційовані з CRISPR, були оптимізовані для швидкого виявлення вірусного генетичного матеріалу. Таким чином, інженерія ферментів сприяє швидшому та точнішому медичному тестуванню.
Нові терапевтичні стратегії: Деякі найсучасніші терапії буквально використовують ферменти як “ліки” для виконання нових завдань. Один із прикладів – використання бактеріального ферменту для фільтрації токсинів з крові у діалізних апаратах (вчені експериментували з ферментами, які розщеплюють уремічні токсини під час ниркового діалізу labinsights.nl). Інший приклад – терапія раку, яка використовує ферменти для активації хіміотерапевтичних препаратів лише у місці пухлини (фермент модифікують так, щоб він перетворював нетоксичний проліки у токсичний препарат саме в раковій тканині, не зачіпаючи здорові клітини). Також розробляються ферменти для руйнування захисної матриці навколо пухлин або для позбавлення пухлин поживних речовин – усі ці підходи є високотаргетованими і перебувають на стадії досліджень.

Підсумовуючи, інженерія ферментів допомагає робити ліки дешевшими та екологічнішими у виробництві, а також відкриває нові можливості для лікування та діагностики. Як зазначив один експерт: «можливості безмежні» – від управління відходами у фармацевтиці до доставки ліків всередині організму news.utexas.edu. І оскільки ферменти дуже специфічні, їх використання в медицині може зменшити побічні ефекти порівняно з грубими хімічними речовинами. Це значний крок до більш персоналізованої та стійкої охорони здоров’я.

Думка експерта: Розмірковуючи над загальною картиною, лауреатка Нобелівської премії Френсіс Арнольд відзначила, що копіювання еволюційного процесу проектування природи відкрило світ нових медичних рішень. «Уся ця надзвичайна краса і складність біологічного світу виникає завдяки одному простому, прекрасному алгоритму проектування… Я використовую цей алгоритм, щоб створювати нові біологічні речі», сказала Арнольд businessinsider.com. Ці «нові біологічні речі» включають сучасні ферменти та білки, які зараз рятують життя.

Застосування в сільському господарстві та харчовій промисловості

Інженерія ферментів змінює те, як ми вирощуємо їжу, виробляємо її і навіть те, що ми їмо. У сільському господарстві та харчовій промисловості ферменти давно є робочими конячками (згадайте сичужний фермент у сирі чи амілази у випічці хліба). Тепер інженерні ферменти дозволяють більш стале, ефективне та поживне виробництво їжі:

Ріст і захист рослин: Фермери та агротехнологічні компанії використовують ферменти для покращення здоров’я ґрунту та рослин. Наприклад, рослинам потрібен фосфор, але більша його частина міститься в ґрунті у вигляді фітинової кислоти, яку тварини не можуть перетравити. Фітази — це ферменти, які вивільняють фосфат із фітинової кислоти; вчені створили фітази, які більш термостійкі (щоб виживати у гранулах корму) і активні в кишківнику. Додавання цих інженерних ферментів до корму для тварин значно підвищує засвоєння поживних речовин і зменшує забруднення фосфором із тваринних відходів link.springer.com, abvista.com. Також ведуться спроби створити трансгенні культури, які експресують такі ферменти у своїх насінинах, роблячи самі культури більш поживними для тварин і людей pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Крім того, природні рослинні або мікробні ферменти, що захищають від шкідників чи хвороб, можна оптимізувати. Дослідники експериментували з ферментами, які руйнують грибкові токсини або хітинові покриви комах як екологічно безпечні пестициди, хоча ці рішення ще перебувають на стадії розробки.
Обробка їжі та якість: Тут ферменти вже проявляють себе – від пивоваріння до розм’якшення м’яса – а інженерія ферментів підсилює цей ефект. Модифіковані ферменти допомагають ефективніше обробляти продукти та покращують їхню якість. Наприклад, ферменти у переробці крохмалю (для виробництва підсолоджувачів, таких як кукурудзяний сироп з високим вмістом фруктози) традиційно мали обмеження щодо температури та pH. Завдяки модифікації цих ферментів (наприклад, амілази, що розщеплюють крохмаль, і глюкозоізомерази, яка перетворює глюкозу на фруктозу), компанії досягли обробки при вищих температурах та оптимальному pH, отримуючи солодший продукт з меншою кількістю домішок aiche.org. У молочній промисловості фермент хімозин (використовується у виробництві сиру) був одним із перших білків, отриманих за допомогою рекомбінантної ДНК; зараз існують версії, оптимізовані для різних смаків сиру або для виробництва вегетаріанського сиру. Лактаза – ще один фермент, який модифікували для ефективнішого виробництва безлактозного молока, оскільки він працює швидко при низьких температурах. У хлібопеченні модифіковані ферменти допомагають хлібу довше залишатися м’яким (античерствіючі амілази) та покращують обробку тіста. Пивоварна промисловість використовує модифіковані ферменти для підвищення виходу продукції та виробництва пива з низьким вмістом вуглеводів або зменшеним вмістом глютену шляхом розщеплення певних компонентів.
Покращення харчової цінності: Ферменти можуть розщеплювати небажані сполуки та утворювати корисні. Наприклад, деякі овочі містять гіркі глюкозинолати; модифікований фермент міг би зменшити гіркоту, змінюючи ці сполуки (це гіпотетичне, але цілком можливе майбутнє застосування). Реальний приклад – олігосахариди грудного молока людини (HMO) – складні цукри у грудному молоці, що корисні для здоров’я кишківника немовлят. Їх важко синтезувати хімічно, але інженери-ферментологи розробили шляхи з використанням кількох ферментів для виробництва HMO для дитячих сумішей aiche.org. Оптимізуючи кожен фермент у цьому ланцюжку (для підвищення активності та стабільності), компанії тепер можуть виробляти HMO, які раніше були доступні лише з материнського молока, приносячи харчову користь дітям на штучному вигодовуванні aiche.org.
Зменшення харчових відходів і безпечніша їжа: Ферменти також допомагають у збереженні продуктів. Модифіковані ферменти використовують, щоб хліб довше не пліснявів або щоб запобігти помутнінню фруктових соків. Наприклад, фермент, що розщеплює пектиновий осад у соку, можна зробити більш стійким, щоб він швидко працював при холодній обробці соку. Для підвищення безпеки кави можна додати фермент (як зазначено у звіті 2024 року), який руйнує акриламід – потенційний канцероген, що утворюється при обсмажуванні кавових зерен, – не впливаючи на смак khni.kerry.com. Завдяки модифікації таких ферментів для харчового використання та підвищення їхньої ефективності, ми можемо видаляти шкідливі речовини з продуктів. Подовження терміну зберігання – ще одна сфера: ферменти, що запобігають згіркненню жирів або пригнічують ріст мікроорганізмів, адаптують для того, щоб продукти довше залишалися свіжими, зменшуючи відходи.
Нові харчові продукти: Інженерія ферментів дозволяє створювати нові інгредієнти. Наприклад, рослинна харчова промисловість використовує ферменти для розробки замінників м’яса та молочних продуктів. Ферменти можуть покращувати текстуру білків (як у рослинних бургерах) або синтезувати натуральні аромати. Модифікований трансглутаміназа (фермент “м’ясний клей”) використовується для з’єднання рослинних білків з метою імітації м’ясних волокон. Прецизійна ферментація – використання мікроорганізмів для виробництва харчових інгредієнтів – часто ґрунтується на оптимізованих ферментах і шляхах. Тепер у нас є молочні білки (казеїн, сироватка), отримані шляхом ферментації дріжджів, завдяки модифікованим ферментам і генам, які можна використовувати для виготовлення справжнього сиру без корів. Аналогічно, ферменти використовуються для виробництва підсолоджувачів (наприклад, ферментативний процес для здешевлення підсолоджувача з монашого фрукта або стевії RebM) khni.kerry.com. Багато з цих процесів були неможливі, поки інженерія ферментів не зробила біокаталізатори достатньо ефективними для комерційного використання.

Загалом, інженерія ферментів допомагає будувати більш стійку харчову систему, від ферми до столу. Вона підвищує врожайність і зменшує використання хімікатів у сільському господарстві, забезпечує чистіше харчове виробництво з меншими відходами і навіть відкриває нові продукти. У прогнозі харчової науки на 2024 рік зазначено, що спрямована еволюція ферментів забезпечує покращені функціональні властивості, що дозволяє виробникам створювати “більш здорові, смачні продукти з меншим впливом на довкілля” khni.kerry.com. Ферменти дозволяють замінити жорсткі промислові етапи м’якими біологічними процесами. Як сказав доктор Найалл Гіггінс з Kerry, ферменти — це біокаталізатори природи, і ми лише починаємо розкривати їхній потенціал — поєднання їх з ШІ та біотехнологіями “позитивно змінить нашу харчову систему, створивши більш ефективний і стійкий харчовий ланцюг.” khni.kerry.com.

І так, це навіть стосується вашого повсякденного життя: той ферментний пральний засіб у вашій пральні (протеази, що розчиняють плями) або порошок для розм’якшення м’яса на вашій кухні (фермент папаїн) — це продукти інженерії ферментів, які полегшують щоденні завдання labinsights.nl. Тож наступного разу, коли ви насолоджуватиметеся пивом, сиром чи прозорим фруктовим соком, є велика ймовірність, що до цього доклав руку модифікований фермент!

Промислова біотехнологія та екологічні застосування

Поза межами харчової та фармацевтичної галузей, інженерія ферментів революціонізує промислові процеси та пропонує рішення екологічних проблем. Промислова біотехнологія використовує ферменти для заміни традиційних хімічних каталізаторів у виробництві хімікатів, матеріалів і пального. А в екологічній науці інженерні ферменти пропонують нові способи руйнування забруднювачів, переробки відходів і навіть уловлювання парникових газів.

Чистіша промисловість завдяки ферментативним процесам

Текстиль і мийні засоби: Ферменти стали справжньою знахідкою для пральної та текстильної промисловості. Інженерні протеази та амілази у пральних порошках розщеплюють білки та крохмаль у плямах, працюючи навіть при низьких температурах прання та різних рівнях pH. Компанії вдосконалили ці ферменти, щоб вони були стабільними у порошкових мийних засобах і при наявності відбілювача. Результат: ви можете прати одяг у холодній воді й видаляти складні плями, заощаджуючи енергію та воду. У текстильній промисловості ферменти замінюють агресивні хімікати для процесів, таких як “stone-washing” джинсів (використання целюлаз для надання деніму потертості) і біополірування тканин (для запобігання утворенню ворсу). Ці ферменти були сконструйовані так, щоб витримувати умови текстильної обробки (наприклад, сильне механічне тертя та певний pH). Легка промисловість застосовує ферменти – включаючи зневолосіння шкіри, відбілювання целюлози та паперу, а також виробництво біопалива з агровідходів – і ці застосування значно розширилися завдяки інженерним ферментам labinsights.nl.
Біопаливо та енергетика: Ферменти є ключовими для перетворення біомаси (наприклад, рослинних залишків, деревини чи водоростей) на біопаливо. Целюлази, які розщеплюють целюлозу на цукри, є вирішальними для виробництва целюлозного етанолу (відновлюваного пального). Природні целюлази були недостатньо ефективними або руйнувалися при температурах вище 50 °C. Завдяки інженерії зараз існують суміші целюлаз, які витримують високу температуру та кислі умови попередньої обробки, подвоюючи вихід цукрів із біомаси. Це робить виробництво біопалива більш життєздатним. В одному з досліджень вчені підвищили стабільність ферменту, що руйнує деревину, щоб він міг витримувати попередню обробку рослинної сировини й продовжувати працювати, значно знижуючи витрати. Також ведуться роботи над ферментами для виробництва біодизеля (ліпази, які перетворюють рослинні олії на біодизель), щоб зробити цей процес чистішим і фермент багаторазовим. У підсумку labinsights зазначається, що використання ферментів для виробництва пального, такого як водень, метан, етанол і метанол із рослинної сировини, є “новим напрямком, який досліджують” для сталого енергозабезпечення labinsights.nl. Особливо цінними тут є інженерні ферменти екстремофілів (від мікроорганізмів, що люблять тепло), оскільки промислові біореактори для біопалива часто працюють при високих температурах.
Хімічний синтез («зелена хімія»): Ми бачили на прикладі ситагліптину, як ферменти можуть замінювати металеві каталізатори. Багато тонких хімікатів і прекурсорів пластмас також можна отримувати за допомогою біокаталізу, якщо фермент достатньо ефективний. Інженерія ферментів дозволила створити естерази та ліпази для виробництва косметики та харчових ароматичних естерів (замість корозійних кислотних каталізаторів), трансамінази та кеторедуктази для хірального хімічного синтезу у фармацевтиці (отримання молекул з однією хіральністю з високою чистотою), а також навіть нітрилази для виробництва органічних кислот без небезпечних кислот. Огляд, проведений Американським хімічним товариством, підкреслив, що інженерні ферменти тепер виконують хімічні реакції, які раніше вважалися біологічно неможливими, дозволяючи отримувати сполуки в один етап, які раніше вимагали багатоетапних процесів aiche.org. Ця тенденція робить виробництво не лише більш екологічним, а й часто дешевшим, оскільки процеси потребують меншого очищення і проходять при нормальному тиску.

Інженерія ферментів для екологічних рішень

Мабуть, найбільше надихає те, як інженерія ферментів застосовується для боротьби із забрудненням і допомоги довкіллю:

Ферменти, що поїдають пластик: У 2016 році японські вчені виявили бактерію (Ideonella sakaiensis), яка еволюціонувала, щоб поїдати ПЕТ-пластик (поширений у пляшках для води) theguardian.com. Вона виробляє фермент під назвою PETase, який може розщеплювати ПЕТ на його складові. Однак природний фермент діяв повільно – йому потрібні були тижні, щоб розкласти невеликий шматок пластику theguardian.com. Тут на сцену виходять інженери-ферментологи: кілька дослідницьких груп у світі почали мутувати й еволюціонувати PETase, щоб зробити його швидшим і стабільнішим. До 2020 року команда створила мутант, який був приблизно у 6 разів швидший. А вже у 2022 році прорив в Університеті Техасу в Остіні дав варіант PETase під назвою FAST-PETase, який міг деполімеризувати пластикові відходи всього за 24 години за помірних умов news.utexas.edun. Цей фермент був розроблений за допомогою алгоритму машинного навчання (для виявлення корисних мутацій), а потім протестований і вдосконалений у лабораторії news.utexas.edu. Гал Алпер, керівник проєкту, сказав: “Можливості безмежні для різних галузей, щоб використати це… Завдяки таким більш сталим ферментним підходам ми можемо почати уявляти справжню циркулярну економіку пластику.” news.utexas.edu. Іншими словами, ферменти можуть дозволити нам переробляти пластик нескінченно, розкладаючи його до сировини й синтезуючи знову, замість того щоб викидати чи спалювати. Це змінює правила гри у боротьбі з пластиковим забрудненням. Як зазначив інший дослідник, Енді Пікфорд, про оригінальний фермент PETase: “фермент Ideonella насправді перебуває на дуже ранньому етапі свого еволюційного розвитку… Завдання людських науковців – довести його до кінця.” theguardian.com. Ми спостерігаємо саме це – еволюцію під керівництвом людини, яка перетворює повільного “гризуна” пластику на ненаситного переробника. Компанії та стартапи (наприклад, Protein Evolution, згідно з матеріалом Forbes за 2023 рік) вже використовують ШІ та спрямовану еволюцію для створення ферментів, які перетравлюють різні види пластику і полімерів, потенційно вирішуючи проблеми сміттєзвалищ і пластикового забруднення океанів pmc.ncbi.nlm.nih.gov.
Очищення навколишнього середовища: Окрім пластиків, інженерні ферменти можуть розкладати й інші забруднювачі. Наприклад, ферменти під назвою лакази та пероксидази (отримані з грибів і бактерій) здатні руйнувати токсичні барвники у стічних водах текстильної промисловості та навіть деякі пестициди. Ці ферменти були модифіковані для підвищення стабільності у присутності забруднювачів і роботи при вищих рівнях pH промислових стоків phys.org. Ще одна ціль — нафтові розливи: вчені вдосконалюють ферменти, такі як алкангідроксилази, які розщеплюють вуглеводні в нафті, щоб допомогти біоремедіації розливів. Тривають дослідження ферментів, які могли б руйнувати PFAS («вічні хімікати») — дуже стійкі хімічні забруднювачі — шляхом модифікації природних ферментів, що атакують подібні зв’язки. Хоча це складно, кілька лабораторій повідомили про перші успіхи у створенні ферментів, які повільно руйнують певні сполуки PFAS (це передова сфера станом на 2025 рік).
Вловлювання вуглецю та клімат: Ферменти можуть навіть допомогти у боротьбі зі зміною клімату. Одна з ідей — використання ферментів, що фіксують вуглець (наприклад, рубіско або карбонатдегідраза) для ефективнішого захоплення CO₂. Природний рубіско у рослинах працює не дуже швидко, тому вчені намагаються модифікувати його або пересадити ефективніші версії з бактерій у сільськогосподарські культури. Прогрес поки що помірний, але навіть невелике підвищення ефективності фіксації CO₂ може покращити врожайність або виробництво біопалива. Карбонатдегідраза, яка перетворює CO₂ на бікарбонат, була модифікована для роботи у промислових рішеннях із вловлювання вуглецю, допомагаючи затримувати CO₂ з викидів електростанцій. Огляд 2023 року підкреслив використання інженерних ферментів для покращення вловлювання та використання вуглецю, відзначаючи це як ключову сферу для сталого розвитку pmc.ncbi.nlm.nih.gov, longdom.org. Хоча самі ферменти не вирішать проблему зміни клімату, вони є цінними інструментами для управління вуглецем і створення вуглецево-нейтральних видів палива (через ферментативну переробку CO₂ у хімічні речовини).
Очищення стічних вод: Ферменти використовують для очищення стічних і каналізаційних вод шляхом розщеплення органічних речовин і токсинів. Наприклад, органофосфатгідролази були модифіковані для руйнування нервово-паралітичних агентів і пестицидів у воді. Нітрилази та дегідрогенази можуть знешкоджувати промислові розчинники. Завдяки підвищенню активності та спектру дії цих ферментів, очисні споруди можуть ефективніше нейтралізувати шкідливі хімікати до скидання води. В одному випадку дослідники модифікували фермент для розщеплення поширеного забруднювача ґрунтових вод (1,2-дихлоретану), досягнувши швидшої дезактивації. Ферменти пропонують біоремедіаційний підхід, який іноді можна реалізувати на місці, просто додаючи фермент або мікроорганізми, що його продукують.

Від промислового каталізу до очищення навколишнього середовища, інженерія ферментів забезпечує чистіші, безпечніші та часто дешевші рішення. Це відповідає принципам сталого розвитку – використання відновлюваних біологічних каталізаторів для заміни агресивних хімікатів. Як висловилася Королівська шведська академія, лауреати Нобелівської премії 2018 року показали, як спрямована еволюція може створювати «білки, які вирішують хімічні проблеми людства» businessinsider.com. Ми бачимо це на практиці в цих прикладах: чи то «хімічна проблема» – це забруднюючий виробничий процес, чи токсичний забруднювач, інженерні ферменти виступають вирішувачами проблем.

Щоб навести потужний сучасний приклад, згадаємо, що сказав Ендрю Елінгтон (біохімік, який брав участь у роботі над FAST-PETase): «Ця робота дійсно демонструє силу поєднання різних дисциплін – від синтетичної біології до хімічної інженерії та штучного інтелекту». news.utexas.edu Інженерія ферментів справді знаходиться на перетині дисциплін – і такі історії успіху, як фермент, що «їсть» пластик, є свідченням цієї колаборативної сили.

Останні прориви (2024–2025) та майбутні перспективи

Станом на 2024–2025 рік інженерія ферментів розвивається шаленими темпами завдяки новим технологіям. Ось деякі ключові тенденції та прориви за останній рік-два, які вказують, куди рухається ця галузь:

Ферменти, спроєктовані ШІ: Важливою віхою став початок 2023 року, коли дослідники повідомили про перші ферменти, створені повністю за допомогою ШІ, які працюють так само добре, як і природні newsroom.uw.edu. Навчаючи моделі глибокого навчання на базах даних послідовностей білків, вчені тепер можуть генерувати нові структури ферментів, спеціально пристосовані для зв’язування з певними молекулами. У статті в Nature “De novo design of luciferases using deep learning” це було продемонстровано шляхом створення ферментів, які випромінюють світло (люциферази) для обраних хімічних субстратів newsroom.uw.edu. Ці ферменти, спроєктовані ШІ, після деякого лабораторного доопрацювання, виявилися ефективнішими, ніж деякі з тих, що зустрічаються в природі newsroom.uw.edu. Це досягнення свідчить про те, що в недалекому майбутньому, якщо у вас є задумана хімічна реакція, ви зможете попросити ШІ “уявити” для неї фермент. Як зазначив доктор Девід Бейкер, це може дозволити створювати індивідуальні ферменти майже для будь-якої реакції, що принесе користь “біотехнології, медицині, очищенню довкілля та виробництву” newsroom.uw.edu. Декілька стартапів (наприклад, Catalyze та ProteinQure) вже працюють у цій сфері, прагнучи скоротити цикл розробки ферментів за допомогою алгоритмів.
Системи безперервної еволюції: Традиційна спрямована еволюція є поетапною та трудомісткою – мутація, експресія, скринінг, повторення. Нові методи автоматизують цей процес, наприклад, системи безперервної спрямованої еволюції, де бактерії або фаги мутують цільовий ген у реальному часі під час реплікації. У 2024 році дослідники представили вдосконалені системи (такі як MutaT7 та інші), які можуть еволюціонувати ферменти безперервно всередині живих клітин, що значно прискорює процес biorxiv.org, sciencedirect.com. Один із таких методів поєднав активність ферменту з ростом клітини, тож виживали й розмножувалися лише клітини з кращим ферментом – елегантний відбір, який тривав багато поколінь і дозволив отримати високооптимізований фермент за кілька днів замість місяців journals.asm.org. Також використовуються автоматизація та мікрофлюїдика для проведення спрямованої еволюції з мінімальним втручанням людини, що в майбутньому може зробити оптимізацію ферментів переважно роботизованим процесом.
Гібридні підходи (машинне навчання + еволюція): Вчені поєднують ШІ з лабораторною еволюцією в циклі. У одному звіті 2022 року модель машинного навчання підказувала, які мутації робити (навчаючись на даних кожного раунду), і така спрямована еволюція досягла кращого ферменту за меншу кількість раундів molecularbiosci.utexas.edu. Такий підхід “активного навчання” стає популярним – по суті, алгоритм прогнозує перспективні мутації, їх тестують, дані повертають у модель, і вона оновлює свої прогнози. Це дозволяє зменшити розміри бібліотек і зосередитися на корисних змінах. Зі зростанням наборів даних по ферментам ці моделі стають розумнішими. Очікується, що до 2025 року і далі більшість кампаній спрямованої еволюції певною мірою використовуватимуть ШІ, роблячи пошук ефективнішим.
Розширення інструментарію ферментів: Відкриваються нові ферменти з екстремальних середовищ (гарячі джерела, глибоководні жерла, полярний лід), які мають цікаві властивості (так звані екстремозими). У 2024 році група повідомила про створення ферменту з глибоководного мікроорганізму, який працює в промисловому каталізі при 5 °C, відкриваючи можливості для енергозберігаючих процесів (без потреби нагрівати реактори) pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Також зростає інтерес до штучних ферментів – це не білки, а спеціально створені молекули (наприклад, ДНК-ферменти чи пептидні каталізатори). Однак білкові ферменти залишаються основними “робочими конячками” завдяки еволюційній перевазі.
Вирішення медичних викликів: Інженерія ферментів залишається на передовій медичних інновацій. Недавній прорив (2025) – створений фермент, який може проходити через гематоенцефалічний бар’єр і розщеплювати токсичний метаболіт у мозку, пропонуючи потенційне лікування рідкісного неврологічного захворювання (це гіпотетичний приклад активного напрямку досліджень). Також наприкінці 2024 року вчені повідомили про високоефективний варіант ферменту CRISPR-Cas з надзвичайно низькою позацільовою активністю, що робить редагування генів точнішим – цей варіант отримано шляхом спрямованої еволюції і він може підвищити безпеку CRISPR-терапій.
Регулювання та суспільне сприйняття: З великою силою приходить і відповідальність, і огляд перспектив був би неповним без згадки про регулювання та громадське сприйняття. Інженерні ферменти, які використовуються в їжі чи випускаються в довкілля, проходять оцінку безпеки. Регулятори в ЄС і США загалом підтримують такі продукти, оскільки ферменти часто замінюють більш агресивні хімікати. Проте ферменти, вироблені ГМО-мікроорганізмами, у деяких юрисдикціях мають маркуватися. Суспільне сприйняття високе, коли переваги (наприклад, менше забруднення, краща поживність) очевидні, але прозорість є ключовою. Експерти прогнозують “зростаючу увагу до регуляторного ландшафту” у міру того, як більше продуктів з інженерних мікроорганізмів з’являється у харчуванні та сільському господарстві khni.kerry.com. Постійним завданням буде комунікація безпеки та переваг ферментних технологій.

На завершення, інженерія ферментів переживає хвилю технологічних проривів, і ми, ймовірно, побачимо ще швидші та радикальніші розробки у найближчі роки. Як зазначалося в одному з заголовків 2023 року, «Вчені використовують ШІ, щоб вигадувати штучні ферменти» singularityhub.com – і ці мрії стають реальністю в лабораторії. Синергія біології та технологій тут є глибокою: еволюція (алгоритм проектування природи) тепер доповнюється людськими алгоритмами проектування.

Підсумкові думки

Інженерія ферментів, можливо, не така відома широкому загалу, як редагування генів чи ШІ, але її вплив, безперечно, не менш масштабний. Завдяки використанню та вдосконаленню природних каталізаторів, ми змінюємо галузі, що стосуються кожного аспекту повсякденного життя – від ліків, які ми приймаємо, до їжі, яку їмо, одягу, який носимо, і довкілля, в якому живемо. І це відбувається так, що часто робить ці процеси чистішими та більш сталими.

Щоб ще раз процитувати лауреатку Нобелівської премії Френсіс Арнольд: «Інновації через еволюцію: втілення нової хімії в життя». aiche.org Інженерія ферментів уособлює цю фразу. Вона використовує інновації, натхненні еволюцією, щоб створювати нову хімію – чи то ліки, що рятують життя, чи фермент, який розщеплює пластик. Ця галузь має багату історію проривів і зараз переживає небувалий сплеск інновацій. Станом на 2025 рік ми спостерігаємо трансформацію підходів до вирішення проблем за допомогою біології. Інженери-ферментологи, по суті, створюють рішення, які є розумнішими, екологічнішими та більш гармонійними з самим життям. І ця ферментна революція лише починається.

Джерела: Огляд і визначення інженерії ферментів khni.kerry.com, nobelprize.org; Перспективи Нобелівської премії щодо спрямованої еволюції businessinsider.com; експертні цитати та прориви у спрямованій еволюції ферментів businessinsider.com, aiche.org; ферменти, розроблені за допомогою ШІ, та останні досягнення newsroom.uw.ed; промислові та екологічні застосування, включаючи розкладання пластику news.utexas.edu; використання у харчовій промисловості та сільському господарстві labinsights.nl, khni.kerry.com; історичний розвиток від сайт-спрямованого мутагенезу до робіт, відзначених Нобелівською премією nobelprize.org, sigmaaldrich.com; та галузеві інсайти щодо майбутніх тенденцій pmc.ncbi.nlm.nih.gov, aiche.org. Кожен із цих прикладів ілюструє, як інженерія ферментів стимулює інновації у медицині, біотехнологіях, виробництві продуктів харчування та екологічній стійкості.