Ученые из Стэнфордского университета раскрыли один из главных секретов жизни, используя более 1000 рентгеновских снимков, фиксирующих движение ферментов во время реакции. Их исследование объясняет, как ферменты могут ускорять биохимические процессы в триллион-триллион раз, и открывает новые перспективы в науке и медицине.
Ферменты, эти “биологические машины”, остаются загадкой для биохимиков. Несмотря на десятилетия исследований, ученые не могли точно определить, какие химические и физические механизмы обеспечивают их невероятную эффективность. Это мешало предсказывать скорости реакций и создавать новые ферменты с такими же выдающимися свойствами.
Команда под руководством профессора биохимии Дэна Хершлага разработала новый подход, основанный на анализе конформационных ансамблей ферментов. Вместо того чтобы рассматривать фермент как статичную структуру, исследователи изучили, как он переходит между разными состояниями во время катализирования реакции. Это позволило впервые количественно оценить влияние каждого структурного элемента на скорость реакции.
Первый автор работы, аспирантка Сиюань Ду, объясняет, что ферменты действуют как напряженные пружины: их атомы находятся в слегка нестабильных состояниях, и при наступлении реакции накопленная энергия высвобождается, ускоряя процесс. Этот принцип оказался универсальным – он наблюдается не только у семейства сериновых протеаз, но и у сотен других ферментов.
Открытие может изменить не только фундаментальную науку, но и методы преподавания биохимии. По словам Хершлага, теперь ученые могут не только описывать ферменты словами, но и количественно объяснять их работу, что приведет к революции в биоинженерии. В будущем это может позволить создавать искусственные ферменты, сопоставимые по эффективности с природными.
Исследование опубликовано 14 февраля в журнале Science.