Ферменты играют важную роль в большинстве биологических процессов: получении и переносе энергии, транскрипции и трансляции генетического материала, а также передаче сигналов. Ферменты являются биологическими катализаторами, ускоряя биохимические реакции на много порядков, обеспечивая правильное функционирование живых клеток. Однако фундаментальные причины каталитической мощности ферментов до сих пор оставались загадкой.
Новый подход, который объединяет в себе классическую и квантовую физику, позволяет выяснить, что именно позволяет протекать ферментативной реакции. Метод основан на модели комплексных химических систем, за которую Уоршел получил в 2013 году Нобелевскую премию. Чтобы реакция протекала, необходим определенный уровень свободной энергии. На свободную энергию оказывают влияние физические факторы. Значения последних могут меняться в широких пределах, что приводит к понижению или увеличению свободной энергии. Тем самым создается своеобразный ландшафт, где вершины холмиков соответствуют максимумам энергии, а долины — минимумам.
Чтобы проверить, какие именно факторы имеют значение, ученые смоделировали влияние конформационных изменений ферментов (иными словами, изменения их геометрической структуры), а также их химические и физические свойства. В качестве сравнения химики исследовали течение химических реакций без участия ферментов. Оказалось, что ключевым фактором, способствующим каталитической активности ферментов, является разность потенциалов между реагентами и продуктами реакции.
Модель позволяет предсказать, какими должны быть ферменты, чтобы достичь подходящей разности потенциалов для протекания реакции. Так можно адаптировать белки для катализа химических и биохимических процессов в промышленных масштабах.
