Процесс старения человеческого организма на молекулярном уровне происходит благодаря реакциям, похожим на те, что создают аромат хлеба при выпечке. Когда сахара соединяются с белками, образуются конечные продукты гликирования (AGE). В выпечке этот процесс протекает быстро из-за высокой температуры, а в организме человека он разворачивается в течение многих лет. По мере накопления AGE повреждают белковые структуры, делая ткани менее эластичными и способствуя хроническому воспалению. Долгое время учёные считали подобные изменения необратимыми, но недавно был создан инновационный фермент, способный удалять один из наиболее распространённых типов AGE из тканей человека.

Наибольший ущерб химические повреждения наносят белкам внеклеточного матрикса — структуре, образующей основу вокруг клеток. Множество таких белков обновляются чрезвычайно медленно. Например, молекулы коллагена остаются в организме годами, поэтому химические повреждения успевают накопиться задолго до их замены на новые молекулы. Это приводит к постепенным изменениям в коже, связках, суставах и кровеносных сосудах. Накопление AGE также связывают с дисфункцией сердца, почек и глаз, а у людей с сахарным диабетом эти соединения скапливаются намного быстрее.

Ранее разработанные методы лечения в основном замедляли образование новых AGE, но не решали проблему с уже повреждёнными белками. Лекарства могли предотвратить дальнейший ущерб, однако не восстанавливали повреждённые аминокислоты. К тому же, в организме человека не было природного фермента, способного выполнить такую задачу.

Исследователи направили свои усилия на изучение N-карбоксиметиллизина (CML) — одного из наиболее распространённых AGE, образующегося при повреждении аминокислоты лизина. CML скапливается в стареющих тканях и способствует воспалительным процессам. Цель учёных состояла не в разрушении повреждённого белка, а в избирательном удалении химической модификации при сохранении целостности белковой цепи.

Поиск необходимого фермента начался с изучения микробных молекул. Микроорганизмы постоянно разлагают органические вещества и встречаются с повреждёнными белками, поэтому их ферменты потенциально могли обладать нужными свойствами. Компьютерный анализ охватил десятки тысяч микробных последовательностей и прогнозируемых структур. Особое внимание уделялось ферментам с доступным активным центром, способным взаимодействовать с CML, встроенным в крупные белковые молекулы.

Наиболее перспективным кандидатом оказалась глициноксидаза из термофильной бактерии. Природный фермент уже проявлял активность в отношении CML, но действовал недостаточно эффективно. Используя метод направленной эволюции, исследователи создавали множество вариантов этого белка, тестировали их, отбирали наиболее эффективные и повторяли процесс модификации. Этот метод имитирует естественный отбор в лабораторных условиях и за несколько итераций позволяет получить фермент с требуемыми характеристиками.

После пяти раундов отбора среди более чем 500 миллионов вариантов был создан CMLase — инженерный фермент, действующий на CML в десять раз более эффективно, чем оригинальная микробная молекула. Главное преимущество проявилось при работе с полноценными белками: CMLase смог добраться до повреждённого лизина и устранить повреждение без разрушения белковой цепи.

Первые испытания CMLase проводились на белках, искусственно перегруженных CML, включая коллаген, гемоглобин и альбумин. После обработки содержание CML значительно уменьшилось. Химический анализ выявил, что фермент трансформирует модифицированный остаток обратно в обычный лизин. Белок при этом остаётся неповреждённым, что свидетельствует об истинном восстановлении исходной структуры, а не просто об удалении повреждённого участка.

Эффективность работы фермента зависела от расположения CML в структуре белка. Участки на поверхности обычно были более доступны, однако пространственная доступность не полностью объясняла различия в результатах. На активность CMLase влияли соседние аминокислоты и локальная архитектура белка. Некоторые участки очищались почти полностью, в то время как другие показывали значительно меньшую реакцию. Это важно для потенциального применения в медицине, так как фермент будет работать с огромным разнообразием молекул в реальной ткани.

Тестирование на животных было нецелесообразным из-за короткой продолжительности их жизни. Поэтому CMLase применили прямо на образцы человеческих тканей. В протеинах хрусталика 64-летнего донора содержание CML значительно снизилось после ночной обработки ферментом. Различные методы анализа показали разную степень снижения, так как одни методы выявляли все модификации, а другие лучше обнаруживали CML на доступной поверхности.

Самый убедительный результат получили при обработке ткани аорты 75-летнего человека. До обработки в стенке сосуда было значительно больше CML, чем в молодых образцах. CMLase снизила его содержание примерно на 70%, приблизив показатель к уровню молодой ткани. В образцах кожи пожилых людей фермент также удалил существенную часть накопившегося CML. Эксперименты подтвердили эффективность не только в пробирке с искусственно повреждёнными белками, но и с соединениями, естественно накопившимися в человеческом организме за десятилетия.

Однако снижение уровня CML нельзя пока приравнивать к полному омоложению тканей. Исследования подтвердили химическое удаление конкретного возрастного повреждения, но не продемонстрировали, восстановит ли обработка эластичность старого сосуда, улучшит ли состояние кожи или повлияет на функцию органов. Все эксперименты с человеческими образцами проводились в пробирке. В живом организме фермент должен сохранять активность достаточно долго, проходить через плотный внеклеточный матрикс и достигать целевые белки.

Дополнительная проблема связана с происхождением CMLase. Поскольку фермент разработан на основе бактериального белка, иммунная система может воспринять его как чужеродное вещество, особенно при повторном введении. Кроме того, собственные ферменты организма могут разрушить CMLase до достижения цели. Разработчикам необходимо повысить стабильность молекулы, проверить иммунные реакции и выбрать оптимальные методы доставки в конкретные ткани.

CML представляет лишь один вид повреждений из большого семейства конечных продуктов гликирования. Следовательно, CMLase не полностью обращает старение вспять и не возвращает тканям молодость. Работа доказывает более конкретный факт: некоторые химические изменения долгоживущих белков, которые на протяжении десятилетий считались практически необратимыми, можно удалить с помощью фермента и восстановить исходную аминокислоту. Исследователи теперь проверяют, применим ли же принцип к другим типам молекулярных повреждений.