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Künstliche Enzyme werden immer «natürlicher»
Schweizer Wissenschaftler haben ein künstliches Enzym entwickelt, das in einer lebenden Zelle eine Reaktion ermöglicht, die so in der Natur nicht vorkommt. Mit solchen Enzymen könnte man erstmals neue nicht-natürliche Stoffwechselwege in lebenden Zellen erschaffen.
Das Repertoire natürlicher Enzyme erweitern
«Unser Ziel war es, ein künstliches Metalloenzym zu entwickeln, das eine Alkenmetathese katalysieren kann. Diese Reaktion findet sich nicht im Repertoire natürlicher Enzyme», sagt Thomas R. Ward, Professor am Departement Chemie der Universität Basel. Die Alkenmetathese erlaubt es Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen zu bilden und umzuverteilen. Sie findet sowohl in der Forschung als auch in der industriellen Grossproduktion breite Anwendung, um verschiedene chemischer Produkte herzustellen. Das künstliche Enzym mit Namen Biot-Ru-SAV katalysiert eine Reaktion, bei der eine ringförmige Verbindung gebildet wird. Wegen ihrer fluoreszierenden Eigenschaften kann diese einfach erkannt und gemessen werden.
Biot-Ru-SAV wurde mit der sogenannten Biotin-Streptavidin-Technologie hergestellt. Dieses oft genutzte Verfahren beruht auf der starken Wechselwirkung zwischen dem Protein Streptavidin und dem Vitamin Biotin. An Biotin kann man weitere Komponenten binden und so ein künstliches Enzym erzeugen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine sogenannte metallorganische Verbindung gewählt, in der mindestens ein Kohlenstoffatom an ein Metallatom gebunden ist. Derartige Verbindungen werden oft als Katalysatoren in industriellen Prozessen verwendet. In wässrigen Lösungen oder in einem zellähnlichen Milieu zeigen sie jedoch keine oder nur eine geringe katalytische Funktion. Um diese Einschränkung zu überwinden, müssen solche Katalysatoren in Gerüstproteine eingebunden werden. Streptavidin ist ein solches Gerüstprotein.
Periplasma als Reaktionsraum
Das Milieu innerhalb einer lebenden Zelle ist jedoch bei weitem nicht ideal für das reibungslose Funktionieren metallorganyl-basierter Enzyme. «Der Durchbruch kam mit der Idee, das Periplasma von Escherichia coli als Reaktionsraum zu verwenden. Dieses Milieu ist für einen Alkenmetathesekatalysator viel besser geeignet», sagt Markus Jeschek, ein Forscher der ETH Zürich in Basel. Das Periplasma ist ein Zellkompartiment zwischen der inneren und der äusseren Membran gramnegativer Bakterien. Es enthält nur eine niedrige Konzentrationen von Inhibitoren der Metalloenzyme, wie zum Beispiel Glutathion.
Weitere Optimierungen
Nachdem sie die idealen in vivo Bedingungen für ihr Enzym gefunden hatten, gingen die Wissenschaftler noch einen Schritt weiter: sie optimierten biot-Ru-SAV durch sogenannte gerichtete Evolution. Diese Methode imitiert natürliche Prozesse, um Proteine und deren Eigenschaften zu verändern und zu verbessern. «Wir konnten so ein einfaches und robustes Screening-Verfahren entwickeln, mit dem wir Tausende von biot-Ru-SAV-Mutanten testen und die aktivste Variante identifizieren konnten», erklärt Ward.
Den Wissenschaftlern ist es nicht nur gelungen, die katalytischen Eigenschaften von biot-Ru-SAV zu verbessern. Sie konnten das Enzym auch auf eine Weise verändern, die es erlaubt, eine Vielzahl verschiedener chemischer Produkte herzustellen. «Das Spannende daran ist, dass künstliche Metalloenzyme wie biot-Ru-SAV dazu verwendet werden können, um neue Chemikalien mit hohem Mehrwert zu produzieren», sagt Ward. «Das hat ein grosses Potenzial zur Vereinigung chemischer und biologischer Werkzeuge, um letztendlich Zellen als molekulare Fabriken zu nutzen.»
Quelle: Angepasst von der Medienmitteilung der Universität Basel.
Bild: NCCR Molecular Systems Engineering.