Usando uma série de mais de 1.000 instantâneos de raios X da mudança de forma de enzimas em ação, pesquisadores da Universidade de Stanford iluminaram um dos grandes mistérios da vida — como as enzimas são capazes de acelerar reações bioquímicas que sustentam a vida de forma tão dramática. Suas descobertas podem impactar campos que vão da ciência básica à descoberta de medicamentos, e provocar uma reformulação de como a ciência é ensinada em sala de aula.

"Quando digo que enzimas aceleram reações, quero dizer algo como um trilhão de trilhões de vezes mais rápido para algumas reações", observou o autor sênior do estudo, Dan Herschlag, professor de bioquímica na Escola de Medicina. "Enzimas são realmente pequenas máquinas notáveis, mas nossa compreensão de como elas funcionam exatamente tem sido deficiente."

Há muitas ideias e teorias que fazem sentido, disse Herschlag, mas os bioquímicos não conseguiram traduzir essas ideias em uma compreensão específica das interações químicas e físicas responsáveis pelas enormes taxas de reação das enzimas. Como resultado, os bioquímicos não têm uma compreensão básica e, portanto, não conseguiram prever as taxas de enzimas ou projetar novas enzimas tão bem quanto a natureza, uma habilidade que seria impactante na indústria e na medicina.

"Usando esses conjuntos detalhados de estados enzimáticos, conseguimos quantificar e explicar rigorosamente em detalhes químicos quais características nas enzimas fornecem catálise e em quanto", disse o primeiro autor do estudo, Siyuan Du, um estudante de doutorado no laboratório de Herschlag. O estudo deles aparece na edição de 14 de fevereiro do periódico Science .

"Nossa nova abordagem — e entendimento — nos coloca no caminho para sermos capazes de projetar enzimas que rivalizam com aquelas encontradas na natureza, embora isso seja apenas o começo, e muito mais trabalho seja necessário para atingir esse objetivo", acrescentou Herschlag.

Até 1926, os bioquímicos ficavam perplexos com as reações que eram exclusivas dos sistemas vivos, atribuindo-as a uma misteriosa "força vital". Naquele ano, James Sumner isolou a primeira enzima conhecida, a urease, em um estudo ganhador do Prêmio Nobel. Desde então, os bioquímicos passaram o último século tentando entender como as enzimas tornam as reações tão rápidas e tão específicas. Ou seja, eles descreveram como elas funcionam em palavras, não quantitativamente, e isso levou ao debate e a visões contrastantes sobre como elas funcionam.

Du e Herchlag construíram sobre uma visão amplamente aceita entre biofísicos de que enzimas não são uma estrutura única. Em vez disso, eles se concentram no que eles chamam de "ensembles", mostrando como enzimas se movem entre diferentes estados físicos — ou ensembles conformacionais — durante a catálise.

"Todos os modelos existentes usam algum grau de posicionamento dos produtos químicos reagentes e grupos de produtos químicos na enzima que auxiliam nas reações", explicou Herschlag. Mas o debate tem se acirrado sobre o quanto o posicionamento importa, sem nenhuma maneira de medi-lo sem essa nova abordagem de "conjunto" que Herschlag e Du adotaram.

"As enzimas estão constantemente em movimento — em um conjunto de estados — e a taxa da reação é determinada pelas probabilidades dentro do conjunto", elaborou Du.

Como tema, os autores escolheram uma família de enzimas conhecidas como serina proteases, que é a família que a maioria dos livros didáticos de bioquímica usa para explicar processos enzimáticos para bioquímicos iniciantes.

Explorando esses conjuntos e comparando estados de reação em enzimas com estados de enzimas não catalisadas em água pura, Herschlag e Du decompuseram a catálise enzimática nas contribuições energéticas individuais no local preciso onde a enzima e a molécula alvo se encontram durante uma reação, conhecido como sítio ativo , para entender como elas funcionam química e fisicamente para acelerar as reações.

Em um exemplo, Du observou como o átomo de oxigênio de uma enzima no sítio ativo invade um átomo de carbono na molécula que está "atacando". É um pouco como uma mola espiralada, disse Du, mas alertou contra uma interpretação muito literal, observando que as maneiras como átomos individuais e grupos de átomos se movem diferem do movimento suave de uma mola.

"Há um pouco de tensão forçando esses átomos a se unirem e, quando a reação acontece, toda essa energia reprimida empurra a reação para frente, o que leva a uma reação muito mais rápida", disse ela.

Du então observou que essas estratégias catalíticas apareceram em todas as serina proteases, como esperado, mas também em mais de 100 outras enzimas.

"A natureza desenvolveu esses mecanismos independentemente em múltiplas famílias de enzimas — esta não é uma característica isolada, mas mecanismos catalíticos que foram descobertos múltiplas vezes pela natureza através da evolução. Isto significa que podemos ser capazes de copiar a natureza e usar esta e outras características para projetar e construir novas enzimas", disse Du.

Quanto ao que vem a seguir, Herschlag e Du disseram que a capacidade de explicar as habilidades extraordinárias dessas importantes substâncias bioquímicas em termos químicos simples poderia revolucionar a maneira como a bioquímica é ensinada e poderia acelerar novas ciências em vários campos importantes.

"Resumindo", disse Herschlag, "precisamos entender melhor as enzimas antes de podermos ter poder real sobre elas e desenvolver outras melhores."