Enzimi – proteini koji katalizuju hemijske reakcije – su izuzetno efikasni. Kod kompleksnih reagenata, skoro su uvek bolji od hemijskih katalizatora, zbog čega postoji veliko interesovanje za njih u industriji. Ideja je da se proizvede željeni enzim koji menja jednu određenu supstancu (recimo, nešto iz nafte) u neku određenu ciljnu supstancu (recimo, neki lek ili neki industrijski proizvod).
Do danas je proizvedeno mnogo takvih ciljanih enzima, ali uvek na isti način: veštačkom evolucijom prethodno postojećih. U ovom pristupu, uzme se neki prirodni protein koji ima slabu željenu aktivnost. Onda se naprave desetine hiljada kopija tog proteina, sa različitim potpuno slučajnim mutacijama. Zatim se mutanti analiziraju, izbace se oni koji posle mutacije više ne rade, a uzmu se oni najbolji. Pa se proces ponovi opet, i opet, i opet.
Kroz ovakve iteracije slučajnih promena i selekcije, promene se skupljaju, a enzim generalno (mada ne uvek) postaje sve bolji i bolji, dok se na kraju ne dobije nešto što deluje dovoljno dobro u poželjnom pravcu (recimo, enzim koji efikasno uklanja masnu fleku iz tkanine).
No, bilo bi lepo kada bi smo mogli takve enzime da namerno pravimo. Veštačka evolucija je korisna, ali zahteva da postoji enzim koji već ima neku aktivnost, i jako je nepredvidiva (ne zna se da li će trebati stotine, hiljade, ili desetine hiljada “generacija” proteina da bi se postigao cilj). Otud, mnogo naučnih grupa već decenijama pokušava da racionalno i smisleno proizvedu, iz osnovnih principa, enzime koji bi radili ono što mi želimo da rade. Sa vrlo malo uspeha.
Pre nekoliko godina, postignut je prvi značajan prodor. Jiang i kolege su pomoću racionalnog kompjuterskog dizajna proizveli enzim (retro-aldolazu) koji katalizuje veoma preciznu i veoma specifičnu hemijsku reakciju (na slici ispod). Ovo su uradili tako što su prvo napravili veštački protein koji se savija u kuglu (više o savijanju proteina možete pročitati ovde). Onda su pažljivo u tom proteinu napravili specijalni “džep” koji savršeno odgovara ciljnoj supstanci. Kada su to napravili i pokazali da protein vezuje metu, dodali su u taj “džep” delove koji katalizuju željenu reakciju.
Za ovaj dizajn su bile potrebne godine rada, i hiljade sati rada na najboljim superkompjuterima. Ali uspelo je.
Efikasnost enzima se meri po faktoru ubrzanja reakcije “same po sebi.” Drugim rečima, ova reakcija se događa sama od sebe u vodi, početni molekul se raspada sam od sebe. Ali to se odvija veoma sporo, morali bi smo da čekamo decenijama da skupimo iole merljivu količinu produkta. Novi veštački proizvedeni enzim ubrzava ovu reakciju oko 15,000 puta.
Ta cifra ubrzanja od 15,000 izgleda impresivno, ali u stvarnosti se radi o veoma malom efektu. Ovo je i dalje neuporedivo sporije i neefikasnije od prirodnih enzima, koji ubrzavaju reakcije milionima ili čak milijardama puta. Ali je lep uspeh ideje da je ideja racionalnog dizajna enzima uopšte moguća.
No, onda je usledilo iznenađenje. Par godina kasnije, Giger i kolege su nastavile ovaj proces, vraćajući se na veštačku evoluciju. Njihov cilj je bio da upotrebe evoluciju da razrade proces dalje: da nađu gde se mogu dodati poboljšanja katalitičkom “džepu” koga su izgradili Jiang i kolege.
Veštačka evolucija je bila jako uspešna: kroz mutaciju i selekciju, napravili su enzim koji ubrzava reakciju za faktor od 25 miliona puta. Doslovno su više nego hiljadostruko povećali efikasnost.
Ali onda su pogledali strukturu proteina, i iznenadili se. Kroz generacije mutacija i selekcije, onaj pažljivo izgrađeni “džep” je potpuno uništen. Umesto njega, na suprotnom kraju proteina je nastao potpuno novi i drugačiji džep. Taj novi je mnogo jače vezivao početnu ciljnu supstancu, i koristio je sasvim neočekivanu hemiju da precizno sprovede ciljnu reakciju veoma precizno.
Slučajne mutacije praćene selekcijom su ne samo proizvele rezultat koji je neuporedivo bolji od namernog dizajna, već su to uradile potpuno ignorišući osnovne principe na kojima je dizajn uopšte rađen.
Biće potrebno još jako, jako mnogo vremena pre nego što budemo u stanju da se takmičimo sa sposobnostima evolucije da stvori nove, neočekivane stvari.