Externe Struktur kann die Funktion von Enzymen beeinträchtigen.

Ein Forscherteam der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und Südafrikas hat zwei Enzyme mit identischen Substratbindetaschen analysiert, die jedoch unterschiedliche Substrate umsetzen. Dabei stellte sich heraus, dass Veränderungen an der Enzymoberfläche die Substratspezifität beeinflussen, indem sie die Dichte der Verpackung im Inneren verändern. Diese Erkenntnisse könnten den Weg für die Manipulation der Enzymfunktion ebnen. Am 2. November 2018 veröffentlichten die Forscher ihren Bericht in der Zeitschrift Communications Biology.

Die Forscher fanden heraus, dass Pflanzenenzyme, so genannte Nitrilasen, sehr ähnlich sind. Sie konnten ihre Komponenten Stück für Stück austauschen. „Wir haben also festgestellt, dass wir durch den bloßen Tausch einer einzelnen Komponente an der Oberfläche ein Enzym dazu bringen können, das Substrat eines anderen Enzyms umzuwandeln“, erklärt Professor Dr. Markus Piotrowski vom Lehrstuhl für Molekulare Genetik und Pflanzenphysiologie der RUB.

Mit der Elektronenmikroskopie analysierten die Forscher, warum eine Veränderung der Oberfläche die Substratbindung im Inneren beeinflussen kann. Die analysierten Nitrilasen bilden größere Helices, die groß genug sind, um unter einem Elektronenmikroskop sichtbar zu werden. „Wir konnten so sehen, dass Veränderungen an der Oberfläche dazu führten, dass Enzymmoleküle in der Helix mehr oder weniger dicht gepackt waren“, sagt Piotrowski. „Das wiederum führt vermutlich dazu, dass die Substratbindungsstelle mehr oder weniger stark komprimiert wird.“ Im stärker komprimierten Zustand ist die Bindetasche für größere Substratmoleküle nicht mehr zugänglich.

Für die Forscher sind Nitrilasen ein Modell für die Evolution von Enzymen, aber sie werden auch in der chemischen und pharmazeutischen Industrie als Biokatalysatoren eingesetzt. Bisher waren Experimente, die darauf abzielten, diese Enzyme durch Veränderung ihrer Substratbindungsstelle zu modifizieren, meist erfolglos. „Unsere Ergebnisse haben gezeigt, dass die quaternäre Struktur, nämlich die Anzahl und Anordnung der einzelnen Enzymmoleküle, berücksichtigt werden muss“, sagt Markus Piotrowski. Dementsprechend können gezielte Modifikationen der Enzymfunktion durchgeführt werden, ohne das Enzym selbst zu verändern, sondern lediglich durch Verdichtung in Nitrilase-Helices mit unterschiedlicher Dichte.

Mehr Informationen:
Jeremy D. Woodward et al., Die Substratspezifität von pflanzlichen Nitrilasekomplexen wird durch ihre spiralförmige Wendung beeinflusst, Communications Biology (2018). DOI: 10.1038/s42003-018-0186-4

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