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Molecola del mese
di novembre 2026
Gli enzimi ingegnerizzati possono catalizzare reazioni mai viste in
natura
 Introduzione
Gli enzimi sono i chimici della cellula, e catalizzano le numerose reazioni
essenziali per la vita. Almeno un terzo di tutti gli enzimi noti si
affida a uno ione metallico nel proprio sito attivo per favorire la
catalisi. Queste proteine sono note come metalloenzimi. Gli ioni
metallici, tipicamente ferro, zinco, rame o manganese, consentono funzioni
che le sole catene laterali degli amminoacidi non potrebbero sostenere,
come il trasporto di elettroni, il legame con l'ossigeno e la coordinazione
dei substrati e degli intermedi nel corretto orientamento affinché
le reazioni avvengano. L'emoglobina,
l'anidrasi
carbonica, la superossido
dismutasi, il citocromo
P450, l'alcol
deidrogenasi sono alcuni esempi di metalloenzimi precedentemente
trattati come "Molecola del Mese".
I metalloenzimi naturali possono eseguire compiti chimici complessi
che, se condotti in un laboratorio di chimica, richiederebbero spesso
calore e pressioni elevati, reagenti aggressivi e inoltre produrrebbero
rifiuti tossici. Al contrario, i metalloenzimi e gli altri biocatalizzatori
operano in acqua, a temperatura e pressione ambiente, e con un alto
livello di selettività. La gamma di reazioni che i metalloenzimi
naturali portano a termine, tuttavia, è limitata; la natura ha
fatto evolvere solo gli enzimi per le reazioni di cui la vita aveva
effettivamente bisogno, e molte reazioni chimiche che sarebbero utili
per scopi industriali sembrano non avere alcun catalizzatore naturale.
Gli ingegneri dei metalloenzimi artificiali mirano a colmare questa
lacuna, combinando l'ampia reattività di un metallo di transizione
con la selettività, la compatibilità con l'acqua e il
potenziale di "evolvibilità" di una struttura proteica.
Riconvertire un metalloenzima naturale
per una nuova chimica
Uno dei modi principali in cui i ricercatori sono riusciti a ingegnerizzare
molecole con funzioni nuove o migliorate è attraverso l'evoluzione
diretta, un approccio che prevede cicli ripetuti di mutazione e selezione.
Il laboratorio di Frances Arnold, insignita del Premio Nobel per la
Chimica nel 2018 per il suo lavoro pionieristico sull'evoluzione diretta,
era interessato a trovare enzimi in grado di catalizzare i legami carbonio-silicio,
una reazione che non era mai stata osservata in natura. Arnold ipotizzò
che le proteine eme potessero essere in grado di catalizzare la formazione
del legame carbonio-silicio e individuò il citocromo c di Rhodothermus
marinus come un candidato promettente. Il compito principale di questo
citocromo c, una proteina piccola ed estremamente stabile, è
quello di trasportare elettroni utilizzando il suo gruppo eme contenente
ferro.
Dopo vari cicli di mutagenesi e selezione, questi ricercatori hanno
convertito con successo il citocromo c di R. marinus da trasportatore
di elettroni a un enzima che forgia legami carbonio-silicio. Sorprendentemente,
la conversione funzionale ha richiesto la modifica di soli tre amminoacidi.
Una delle mutazioni rimuove un amminoacido che normalmente fa da "cappuccio"
al ferro dell'eme, aprendo una tasca in cui può formarsi un carbene
di ferro reattivo che si inserisce poi nel legame silicio-idrogeno di
un silano. L'enzima evoluto (mostrato qui sopra, pdb 6cun)
catalizza la formazione del legame carbonio-silicio in substrati di
riferimento con un controllo quasi perfetto della chiralità del
prodotto, e funziona all'interno di batteri vivi.
Utilizzare il "velcro molecolare"
per creare metalloenzimi artificiali
Un'altra strategia sviluppata per ingegnerizzare i metalloenzimi prevede
l'ancoraggio di un catalizzatore organometallico all'interno di una
proteina utilizzando il "velcro molecolare". Questa strategia,
di cui il laboratorio di Thomas Ward e altri sono stati pionieri, utilizza
l'interazione straordinariamente forte tra la proteina streptavidina
e la piccola molecola biotina. Se un catalizzatore metallico sintetico
viene fuso con un'ancora di biotina, esso si incastra perfettamente
e in modo semi-permanente nella tasca di legame della biotina. La proteina
avvolge il catalizzatore. Gli amminoacidi che rivestono la tasca possono
essere mutati per guidare la reazione in modo ottimale.
Questa piattaforma è stata utilizzata per costruire metalloenzimi
in grado di catalizzare reazioni che nessun enzima naturale noto può
realizzare, tra cui l'idrogenazione asimmetrica, l'idrogenazione per
trasferimento, l'attivazione del legame C-H e la metatesi delle olefine.
Una metatesasi artificiale, che include un catalizzatore di metatesi
al rutenio trattenuto all'interno della streptavidina, è mostrata
qui a fianco (pdb 5f2b). L'enzima è
stato espresso nel periplasma di cellule di E. coli (dove poteva evitare
gli inibitori naturali presenti nel citosol) ed è stato sottoposto
a cicli di evoluzione diretta in vivo. L'enzima evoluto reggeva bene
il confronto con i catalizzatori commerciali (e molto più inquinanti)
e ha potuto catalizzare reazioni con una varietà di substrati
di metatesi.
Un metalloenzima generato dall'IA
L'approccio più recente per l'ingegnerizzazione di metalloenzimi
artificiali utilizza modelli di intelligenza artificiale generativa
per progettare una proteina in grado di mantenere gli atomi di un substrato
nell'orientamento e nella posizione precisi per catalizzare una reazione.
Questo metodo è stato utilizzato nel 2025 da un team guidato
da David Baker (che ha ricevuto il 50% del Premio Nobel per la Chimica
nel 2024 per il suo lavoro sulla progettazione computazionale delle
proteine) per creare una metalloidrolasi a zinco, un enzima che utilizza
uno ione zinco per attivare una molecola d'acqua e scindere un legame
chimico (la stessa reazione catalizzata dalle anidrasi carboniche e
dalle carbossipeptidasi naturali). I ricercatori hanno specificato solo
gli elementi chiave del sito attivo: uno ione zinco coordinato da tre
istidine e un glutammato adiacente che deprotona una molecola d'acqua
legata allo zinco, attivandola per l'attacco sull'estere. L'IA, in questo
caso un modello di deep learning chiamato RFdiffusion2, ha quindi progettato
attorno al sito attivo una proteina dissimile da qualsiasi altra proteina
presente in natura. Sorprendentemente, i migliori design derivanti da
questo approccio risultavano attivi fin dalla fase computazionale, senza
la necessità di una successiva evoluzione in laboratorio. Questi
enzimi artificiali hanno raggiunto efficienze catalitiche paragonabili
a quelle degli enzimi naturali.
La figura qui sopra a destra mostra ZETA_2 (pdb 9pyl),
uno degli enzimi artificiali più attivi. Sotto la figura è
mostrata una delle reazioni che ZETA_2 può realizzare, l'idrolisi
di un estere.
Esplorando la struttura: una carbene
trasferasi evoluta
 La
struttura verde chiaro sulla destra (pdb 6cun)
mostra l'intermedio reattivo ferro-carbene all'interno di un citocromo
c ingegnerizzato.
In questa forma, sono stati modificati solo tre amminoacidi rispetto
alla forma originale naturale mostrata sulla sinistra in verde scuro
(pdb 3cp5):
V-treonina-75 ,
M-acido aspartico-100
M-acido glutammico-103.
Questi tre amminoacidi sono evidenziati nella struttura sulla destra
con gli atomi di ossigeno rossi
Spunti di approfondimento
I metalloenzimi sono un sottoinsieme di una classe di proteine note
come metalloproteine. Scopri di più sulle metalloproteine nella
sezione "Esplorare
le Metalloproteine" della Guida alla comprensione dei dati
del PDB.
Scopri di più su come i metodi
di evoluzione diretta sono stati impiegati per migliorare gli enzimi.
L'IA è stata utilizzata con successo per progettare metalloenzimi
de novo. Leggi di più su come
l'IA ha cambiato la biologia strutturale.
 Bibliografia
pdb_6cun: Lewis RD, Garcia-Borràs M, Chalkley MJ, Buller
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revealed in a cytochrome c carbene transferase. Proc Natl Acad Sci U
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pdb_9pyl: Kim D, Woodbury SM, Ahern W, Tischer D, Kang A, Joyce
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