Mekanisme kunci untuk mendapatkan senyawa yang diturunkan dari alga coklat dengan aplikasi biotek

• Sebuah studi yang dipimpin oleh UB meletakkan fondasi kimia yang akan memungkinkan produksi alginat yang disesuaikan untuk memenuhi permintaan produksi di berbagai sektor industri

Setiap tahun, ribuan ton ganggang coklat diekstraksi dari dasar laut untuk mendapatkan senyawa seperti alginat, polimer yang terdiri dari gula yang memiliki kepadatan dan kekuatan tinggi, menawarkan aplikasi bioteknologi potensial. Sebuah tim internasional yang dipimpin oleh University of Barcelona telah menguraikan mekanisme di mana jenis enzim, yang disebut Alginate Lyase (AL), mampu merendahkan biomaterial laut ini, memungkinkan mereka untuk digunakan sebagai pembawa obat, aditif atau penebalan, antara lain. Hasil ini, diterbitkan di Komunikasi Alam akan membantu dalam pengembangan dan desain “alginat yang disesuaikan” baru untuk aplikasi tertentu, terutama di industri makanan dan biomedis.

Tim UB dibentuk oleh José Pablo Rivas-Fernández, penulis pertama artikel tersebut, dan Carme Rovira, Profesor Penelitian ICREA, keduanya dari Fakultas Kimia UB dan Institut Teknik UB. Para ahli dari Universitas Sains dan Teknologi Norwegia (NTNU) dan North Carolina State University (Amerika Serikat) juga telah berpartisipasi.

Terlepas dari banyaknya alginat di lingkungan laut, berbagai peluang mereka, terutama di sektor biomedis, sangat dibatasi oleh ketidakhomogenan komposisi mereka dalam keadaan alami – mereka mungkin mengandung campuran asam mannuronic dan gula asam guluronat dalam proporsi yang bervariasi. Pengetahuan tentang mekanisme aksi enzim Al ketika mereka secara khusus memecahkan ikatan yang menghubungkan gula tipe asam mannuronat dalam polimer ini akan membantu mengatasi keterbatasan ini. “Hasilnya meletakkan dasar untuk memanipulasi enzim ini dan merancang varian dengan sifat katalitik yang lebih baik dan efisiensi yang lebih tinggi dalam skala besar.

Dengan menggunakan teknik industri dan bioproses, akan dimungkinkan untuk mengoptimalkan produksi 'alginat yang disesuaikan' dalam jumlah yang cukup untuk memenuhi kebutuhan masyarakat “, para peneliti menjelaskan.

Temuan ini juga akan memungkinkan untuk “penggunaan sumber daya alam yang lebih baik dan meningkatkan ekonomi hijau dengan menggunakan enzim sebagai alat utama dalam produksi alginat ini”, kata para penulis.

Analisis komputasi dengan superkomputer Marenostrum 5

Bagian dari penelitian ini didasarkan pada analisis komputasi dari mekanisme aksi enzim ini, menggunakan sebagai titik awal struktur tiga dimensi enzim AL dalam interaksi dengan varian alginat yang berbeda, yang diperoleh oleh kolaborator DTU. Based on this structure and using the resources of the MareNostrum 5 supercomputer at the Barcelona Supercomputing Center – Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS), the UB team has carried out molecular dynamics simulations, using multiscale quantum mechanics and molecular mechanics techniques to model and obtain a detailed description at the atomic level of the chemical reaction that takes place during the degradation of alginates.

Simulasi ini telah mendamaikan perbedaan ilmiah sebelumnya tentang jumlah tahapan di mana reaksi terjadi, menegaskan bahwa hal itu terjadi dalam satu tahap dan bahwa polimer pecah di tengah, bukan di satu ujung. Mereka juga telah membersihkan sifat dari keadaan transisi – konfigurasi energi tertinggi selama reaksi – sebagai spesies bermuatan yang sangat negatif. “Temuan ini menunjukkan bahwa kita mungkin dapat mengontrol pada titik apa polimer rusak oleh mutasi asam amino tertentu di pusat aktif enzim”, para peneliti menjelaskan.

Elemen penting lain dari penelitian ini adalah bahwa enzim yang dianalisis termasuk dalam keluarga 7 lyases, yang paling banyak diketahui hingga saat ini, yang memungkinkan mengekstrapolasi mekanisme yang dijelaskan ke enzim lain dengan potensi bioteknologis yang tinggi.

Temuan ini juga memfasilitasi identifikasi residu utama atau asam amino yang dapat ditargetkan untuk meningkatkan efisiensi enzim ini, garis penelitian yang sangat menjanjikan di mana tim UB sudah bekerja.

Selain itu, hasilnya meningkatkan pemahaman evolusi kimia alginat selama degradasinya, elemen mendasar untuk desain probe yang mampu mengidentifikasi dan mengisolasi lyases alginat, yang belum dijelaskan. Dalam hal ini, peneliti UB saat ini sedang mengerjakan desain probe yang memungkinkan identifikasi efisien enzim baru yang aktif dalam karbohidrat.

Studi ini adalah bagian dari Carbocentre, sebuah proyek yang didanai oleh hibah sinergi dari Dewan Penelitian Eropa (ERC). Hibah ini adalah salah satu yang paling bergengsi di Eropa dan diberikan kepada tim peneliti yang bekerja bersama untuk mengatasi tantangan ilmiah besar.

Rivas-Ferndez, José Pablo; Vuillemin, Marlene; Pilgaard, Bo; Klau, Leesa J .; Fredslund, Folmer; Lund-Hanssen, Charlotte; Welner, Ditte H .; Meyer, Anne S .; Morth, J. Preben; Meilleur, Flora; Aachmann, Finn L .; Rovira, Carme; Wilkens, Casper. “Mengungkap mekanisme molekuler lyases polisakarida untuk degradasi alginat yang efisien”. Komunikasi AlamMaret 2025. DOI: 10.1038/S41467-025-56754-5.