โครงการริเริ่มการทำงานของเอนไซม์

โครงการริเริ่มการทำงานของเอนไซม์ (EFI)
การก่อตัว	2010
วัตถุประสงค์	พัฒนาและเผยแพร่กลยุทธ์ที่มีประสิทธิภาพเพื่อกำหนดหน้าที่ของเอนไซม์
สำนักงานใหญ่	มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา-แชมเปญ
หัวหน้าโครงการวิจัย	จอห์น เอ. เกิร์ลท์, ปริญญาเอก
งบประมาณ	โครงการให้ทุนสนับสนุนกาวNIGMSระยะเวลาห้าปี
เว็บไซต์	www.enzymefunction.org

โครงการริเริ่มด้านหน้าที่ของเอนไซม์ ( EFI ) เป็นโครงการความร่วมมือขนาดใหญ่ที่มีเป้าหมายเพื่อพัฒนาและเผยแพร่กลยุทธ์ที่แข็งแกร่งในการกำหนด หน้าที่ ของเอนไซม์ผ่านแนวทางแบบบูรณาการตามลำดับโครงสร้าง^{[ 1 ]} โครงการนี้ได้รับทุนสนับสนุนในเดือนพฤษภาคม 2010 โดยสถาบันวิทยาศาสตร์การแพทย์ทั่วไปแห่งชาติในรูปแบบทุน Glue Grant ซึ่งสนับสนุนการวิจัยปัญหาทางชีววิทยาที่ซับซ้อนซึ่งไม่สามารถแก้ไขได้โดยกลุ่มวิจัยเพียงกลุ่มเดียว^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} EFI ได้รับแรงผลักดันอย่างมากจากความต้องการพัฒนาวิธีการระบุหน้าที่ของโปรตีนจำนวนมหาศาลที่ค้นพบผ่านโครงการลำดับจีโนม^{[ 4 ]}

แรงจูงใจ

การเพิ่มขึ้นอย่างมากของเทคโนโลยีการจัดลำดับจีโนมทำให้จำนวนลำดับโปรตีนที่ถูกฝากไว้ในฐานข้อมูลสาธารณะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว^{[ 5 ]} เพื่อรับมือกับการไหลเข้าของลำดับ ฐานข้อมูลจึงใช้การคาดการณ์ด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อระบุหน้าที่ของโปรตีนแต่ละตัวโดยอัตโนมัติ แม้ว่าวิธีการคำนวณเหล่านี้จะมีข้อดีคือมีประสิทธิภาพสูงมากและโดยทั่วไปแล้วจะให้การจำแนกประเภทที่แม่นยำ แต่การใช้งานแบบผูกขาดได้นำไปสู่การระบุหน้าที่ของเอนไซม์ ผิดพลาด ในฐานข้อมูลลำดับ โปรตีน ใน ระดับที่สำคัญ ^{[ 6 ]} ดังนั้น แม้ว่าข้อมูลที่มีอยู่ในปัจจุบันจะเป็นโอกาสที่ไม่เคยมีมาก่อนในการทำความเข้าใจกระบวนการเผาผลาญ ของเซลล์ ในสิ่งมีชีวิตหลากหลายชนิด ซึ่งรวมถึงความสามารถในการระบุโมเลกุลและ/หรือปฏิกิริยาที่อาจเป็นประโยชน์ต่อคุณภาพชีวิตของมนุษย์ แต่ศักยภาพดังกล่าวยังไม่ได้รับการตระหนักอย่างเต็มที่^{[ 7 ]}ความสามารถของชุมชนชีววิทยาในการระบุลักษณะของโปรตีนที่ค้นพบใหม่นั้นถูกแซงหน้าด้วยอัตราการจัดลำดับจีโนม และงานของการกำหนดหน้าที่ในปัจจุบันถือเป็นขั้นตอนที่จำกัดอัตราในการทำความเข้าใจระบบชีววิทยาอย่างละเอียด^{[ 8 ]}

กลยุทธ์แบบบูรณาการสำหรับการมอบหมายหน้าที่

EFI กำลังพัฒนากลยุทธ์แบบบูรณาการตามลำดับโครงสร้างเพื่อกำหนดหน้าที่โดยการทำนายความจำเพาะของสารตั้งต้นของสมาชิกที่ไม่รู้จักของเอนไซม์ซูเปอร์แฟมิลีที่ มีกลไกการทำงานที่หลากหลาย ^{[ 9 ]} แนวทางนี้ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติที่อนุรักษ์ไว้ภายในซูเปอร์แฟมิลีที่กำหนด เช่น เคมีที่ทราบ เอกลักษณ์ของ หมู่ฟังก์ชันของ ไซต์ที่ออกฤทธิ์และองค์ประกอบของสารตกค้าง ลวดลาย หรือโครงสร้างที่กำหนดความจำเพาะเพื่อทำนายหน้าที่ แต่ต้องอาศัยความเชี่ยวชาญจากหลากหลายสาขาเพื่อปรับปรุง แก้ไข และทดสอบการทำนาย^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}^{[ 12 ]} กลยุทธ์ลำดับแบบบูรณาการที่กำลังพัฒนาจะสามารถนำไปใช้ได้ทั่วไปในการถอดรหัส ความจำเพาะของ ลิแกนด์ ของ โปรตีน ใดๆ ที่ ไม่ทราบหน้าที่^{[ 9 ]}

องค์กร

ตาม ข้อกำหนดของโครงการ NIGMSกลุ่มความร่วมมือ Glue Grant ต้องมีทรัพยากรหลักและโครงการเชื่อมโยง^{[ 3 ]} EFI ประกอบด้วยแกนวิทยาศาสตร์หกแกนซึ่งให้ ความเชี่ยวชาญ ด้านชีวสารสนเทศโครงสร้าง การคำนวณ และการจัดการข้อมูลเพื่ออำนวยความสะดวกในการทำนายการทำงานของเอนไซม์ที่ไม่ทราบหน้าที่ซึ่งเป็นเป้าหมายของ EFI ในช่วงเริ่มต้นของการให้ทุน การทำนายเหล่านี้ได้รับการทดสอบโดยโครงการเชื่อมโยงห้าโครงการซึ่งเป็นตัวแทนของ เอนไซม์ซูเปอร์แฟมิลี amidohydrolase , enolase , GST, HAD และ isoprenoid synthase ปัจจุบันเหลือโครงการเชื่อมโยงสามโครงการ^{[ 9 ]}นอกจากนี้ โครงการนำร่อง Anaerobic Enzymology ได้ถูกเพิ่มเข้ามาในปี 2014 เพื่อสำรวจซูเปอร์แฟมิลี Radical SAM และซูเปอร์แฟมิลี Glycyl Radical Enzyme

แกนกลางทางวิทยาศาสตร์

หน่วยงานหลักด้านชีวสารสนเทศศาสตร์มีส่วนร่วมใน การวิเคราะห์ ทางชีวสารสนเทศศาสตร์โดยการรวบรวมและจัดการชุดข้อมูลลำดับที่สมบูรณ์ สร้างเครือข่ายความคล้ายคลึงของลำดับ และจำแนกสมาชิกในกลุ่มซูเปอร์แฟมิลีออกเป็นกลุ่มย่อยและตระกูลเพื่อการถ่ายโอนคำอธิบายประกอบและการประเมินผลในภายหลังในฐานะเป้าหมายสำหรับการระบุลักษณะการทำงาน

หน่วยงานหลักด้านโปรตีนพัฒนาวิธีการโคลนนิ่ง การแสดงออก และการทำให้บริสุทธิ์ของโปรตีนสำหรับเอนไซม์เป้าหมายในการศึกษา

โครงสร้างหลักนี้เติมเต็ม ส่วนประกอบ ด้านชีววิทยาโครงสร้างของ EFI โดยการจัดหาโครงสร้างความละเอียดสูงของเอนไซม์เป้าหมาย

ส่วนประมวลผลหลักจะทำการจำลองการ จับคู่ โมเลกุลในคอมพิวเตอร์ (in silico docking)เพื่อสร้างรายการลำดับขั้นของสารตั้งต้นที่คาดการณ์ไว้สำหรับเอนไซม์เป้าหมาย โดยใช้โครงสร้างโปรตีนที่ได้จากการทดลองและ/หรือแบบจำลองความคล้ายคลึงกัน

หน่วย งานหลักด้าน จุลชีววิทยาศึกษา การทำงาน ในสิ่งมีชีวิตโดยใช้เทคนิคทางพันธุกรรมและเมตาโบลิกส์เพื่อเสริม การทำงาน ในหลอดทดลองที่กำหนดโดยโครงการเชื่อมโยง (Bridging Projects)

ศูนย์ข้อมูลและการเผยแพร่จะดูแลฐานข้อมูลสาธารณะสำหรับข้อมูลการทดลอง (EFI-DB) ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}

โครงการเชื่อมต่อ

ซูเปอร์แฟมิลีเอนอเลสประกอบด้วยเอนไซม์ที่มีความสัมพันธ์ทางวิวัฒนาการซึ่งมีโครงสร้างแบบ (β/α)7β‑barrel (TIM‑barrel) ซึ่งทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาการเกิดอีพิเมอไรเซชัน/ราเซมิเซชันหรือการกำจัด β ของสารตั้งต้นคาร์บอกซิเลตโดยใช้โลหะเป็นหลัก^{[ 15 ]}

ซูเปอร์แฟมิลีของฮาโลแอซิดดีไฮโดรจีเนสประกอบด้วยเอนไซม์ที่มีความสัมพันธ์ทางวิวัฒนาการซึ่งมีโครงสร้าง Rossmanoid α/β พร้อมบริเวณ "หมวก" ที่แทรกอยู่ ซึ่งส่วนใหญ่จะเร่งปฏิกิริยานิวคลีโอฟิลิกที่ได้รับความช่วยเหลือจากโลหะ ซึ่งส่วนใหญ่ส่งผลให้เกิดการถ่ายโอนหมู่ฟอสฟอริล^{[ 16 ]}

ซูเปอร์แฟมิลีของไอโซพรีนอยด์ซินเทส (I) ประกอบด้วยเอนไซม์ที่มีความสัมพันธ์ทางวิวัฒนาการซึ่งส่วนใหญ่เป็นโครงสร้างแบบอัลฟาเฮลิกซ์ และเร่งปฏิกิริยาการถ่ายโอนทรานส์-พรีนิลเป็นหลักเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ไอโซพรีน ที่ยาวขึ้นหรือเป็นวงแหวน ^{[ 17 ]}

โครงการเชื่อมโยงด้านเอนไซม์วิทยาแบบไม่ใช้ออกซิเจนจะสำรวจเอนไซม์วิทยาที่ขึ้นอยู่กับอนุมูลอิสระ ซึ่งช่วยให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่ผิดปกติผ่านการแยกกลุ่มเหล็ก-กำมะถันของS-Adenosyl methionine (SAM) และสร้างตัวกลางที่เป็นอนุมูลอิสระ หรืออีกทางหนึ่งคือการดึงไฮโดรเจนออกจากไกลซีน เพื่อสร้างอนุมูลไกลซิล กลุ่มเอนไซม์เหล่านี้ส่วนใหญ่ยังไม่ได้รับการสำรวจ ดังนั้นจึงมีศักยภาพสูงสำหรับการค้นพบการทำงาน การได้มาซึ่งสาย การผลิตโปรตีนแบบไม่ใช้ออกซิเจนควบคู่กับการติดตั้ง ห้องปลอด เชื้อระดับ 2 สำหรับการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์ในลำไส้ของมนุษย์ได้เตรียมความพร้อมให้ EFI ในการดำเนินงานด้านเอนไซม์วิทยาแบบไม่ใช้ออกซิเจน

นักวิจัยที่เข้าร่วม

EFI ประกอบด้วยนักวิจัย 12 คนที่มีความเชี่ยวชาญในสาขาวิชาต่างๆ^{[ 18 ]}

ชื่อ	สถาบัน	บทบาท
เกิร์ลท์, จอห์น เอ.	มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา-แชมเปญ	ผู้อำนวยการโครงการ ผู้อำนวยการโครงการ Enolase Bridging Project และผู้อำนวยการร่วมของศูนย์ข้อมูลและการเผยแพร่
อัลเลน, คาเรน เอ็น.	มหาวิทยาลัยบอสตัน	ผู้อำนวยการโครงการ HAD Bridging Project
อัลโม, สตีเวน ซี.	วิทยาลัยแพทยศาสตร์อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์	ผู้อำนวยการศูนย์โปรตีนและศูนย์โครงสร้าง
โครแนน, จอห์น อี.	มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา-แชมเปญ	ผู้อำนวยการร่วมของหน่วยงานจุลชีววิทยาหลัก
เจคอบสัน, แมทธิว พี.	มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานฟรานซิสโก	ผู้อำนวยการร่วมของศูนย์ประมวลผล
ไมเนอร์, วลาเดค	มหาวิทยาลัยเวอร์จิเนีย	ผู้อำนวยการร่วมของศูนย์ข้อมูลและการเผยแพร่
พอลเตอร์, ซี. เดล	มหาวิทยาลัยยูทาห์	ผู้อำนวยการโครงการเชื่อมโยงไอโซพรีนอยด์ซินเทส
ซาลี, อันเดรจ	มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานฟรานซิสโก	ผู้อำนวยการร่วมของศูนย์ประมวลผล
โชเช็ต, ไบรอัน เค.	มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานฟรานซิสโก	ผู้อำนวยการร่วมของศูนย์ประมวลผล
สวีดเลอร์, โจนาธาน วี.	มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา-แชมเปญ	ผู้อำนวยการร่วมของหน่วยงานจุลชีววิทยาหลัก
พอลลาร์ด, แคทเธอรีน เอส.	สถาบันแกลดสโตน	ผู้อำนวยการโครงการนำร่องคัดกรองครอบครัว
บุ๊คเกอร์, สไควร์ เจ.	มหาวิทยาลัยรัฐเพนซิลเวเนีย	ผู้อำนวยการโครงการนำร่องด้านเอนไซม์วิทยาแบบไม่ใช้ออกซิเจน

ผลลัพธ์ที่ส่งมอบ

ผลลัพธ์หลักของ EFI คือการพัฒนาและเผยแพร่กลยุทธ์ลำดับ/โครงสร้างแบบบูรณาการสำหรับการกำหนดหน้าที่ ปัจจุบัน EFI ให้บริการเครื่องมือด็อกกิ้งความเร็วสูงสองเครื่องมือ เครื่องมือบนเว็บสำหรับการเปรียบเทียบลำดับโปรตีนภายในตระกูลโปรตีนทั้งหมด และเครื่องมือบนเว็บสำหรับการสร้างรายการบริบทจีโนมโดยอิงจากเครือข่ายความคล้ายคลึงของลำดับโปรตีน นอกจากนี้ ในขณะที่กลยุทธ์ได้รับการพัฒนา ข้อมูลและโคลนที่สร้างโดย EFI จะเปิดให้ใช้งานได้ฟรีผ่านแหล่งข้อมูลออนไลน์หลายแห่ง^{[ 9 ]}

เงินทุน

EFI ก่อตั้งขึ้นในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2553 โดยได้รับเงินทุน 33.9 ล้านดอลลาร์สหรัฐในระยะเวลาห้าปี (หมายเลขทุน GM093342) ^{[ 19 ]}

ลิงก์ภายนอก