Åqvist labb

Vår forskning är inriktad på datorbaserade studier av biologiska makromolekyler där vi använder olika typer av beräkningsmetoder och bioinformatik för att analysera och förutsäga deras funktion och interaktioner. Med moderna datorberäkningsmetoder har det blivit möjligt att utföra storskaliga beräkningar och simuleringar av biologiska makromolekyler, såsom protein och nukleinsyror. Sådana datorsimuleringar kan användas för att, utifrån molekylernas tredimensionella struktur, beräkna deras biokemiska funktioner i detalj. Resultaten kan i princip ge en komplett bild av hur molekylerna rör sig, hur de växelverkar med andra molekyler och hur snabbt de kan katalysera nödvändiga kemiska reaktioner. Vi arbetar speciellt med enzymers evolution och adaption till extrema miljöer.

Populärvetenskaplig presentation

Vår forskning handlar om att designa nya enzymer baserat på vår förståelse av hur evolutionen har lyckats skapa enzymer som kan fungera under extrema betingelser. Detta gäller t.ex. enzymer hos olika mikroorganismer som kan fungera trots stark kyla eller värme, under syraliknande förhållanden, under extremt högt tryck eller saltkoncentration. Även köldanpassade fiskar som lever i vatten nära fryspunkten har enzymer som kan katalysera kemiska reaktioner trots kylan. Mesofila och endoterma arters enzymer (t.ex. däggdjur), däremot, är nästan helt inaktiva under sådana kalla förhållanden. Ofta är aminosyrasekvensen hos köld- och värmeanpassade ortologa enzymer mycket lika och det är ett begränsat antal mutationer som orsakar anpassningen de yttre förhållandena. Det visar sig här att de mutationer som har med temperaturoptimering att göra huvudsakligen sitter på enzymets yta. Denna kunskap har lett till att vi nu kan designa enzymers temperaturberoende genom en kombination av datorberäkningar och biokemiska experiment, vilket är av stort bioteknologiskt intresse.

Forskning

Våra projekt är inriktade på datorbaserad design av nya enzymer baserat på vår förståelse av naturliga sådana från extremofila arter. VI har arbetat med enzymer från psykrofila (köldanpassade), mesofila och termofila arter och analyserat de strukturella och energetiska principerna bakom deras katalytiska temperaturberoende, både med datorberäkningar och experiment. Ett huvudproblem har varit att kunna förklara hur köldanpassade enzymer kan fungera vid låga temperaturer, där mesofila och termofila enzymer har förlorat det mesta av sin aktivitet. Detta omfattar beräkningar och experimentella mätningar av katalytiska hastigheter, temperaturoptima och smälttemperaturer och vi har nu nått dithän att vi kan designa dessa egenskaper med hjälp av datorberäkningar. Det har lett till vår upptäckt att temperaturanpassning till stor del har att göra med mutationer på enzymets yta, som primärt modulerar dess flexibilitet. VI kunde således påvisa ett direkt samband mellan detta fenomen och de termodynamiska aktiveringsparametrarna för den katalyserade reaktionen, vilka i sin tur bestämmer hastighetens temperaturberoende. Vi har under senare tid utvecklat en unik beräkningsmetod för att attackera dessa problem med datorsimuleringar och kombinerar nu denna med maskininlärningsmetoder för att designa temperaturberoendet av flera typer av enzymreaktioner och validerar resultaten med biokemiska experiment. Vi har redan lyckats med denna typ av datorbaserad design i ett antal fall. Detta har också många bioteknologiska tillämpningar och intresse för olika typer av extremofila enzymer är mycket stort.