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Künstliche Enzyme werden immer «natürlicher»

(30.8.16) Basler Chemiker haben ein Metalloenzym synthetisiert, das in E. coli eine Reaktion katalysiert, die im Bakterium so nicht "läuft". Ein erster Schritt, neue Stoffwechselwege "künstlich" zu erschaffen.

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© NCCR Mol. Syst. Engin.

(Die Uni Basel berichtet in einer – von uns leicht überarbeiteten – Pressemitteilung folgendermaßen über die Arbeit:)

Das künstliche Metalloenzym mit Namen biot-Ru-SAV stellten die Basler mit der sogenannten Biotin-Streptavidin-Technologie her. Dieses oft verwendete Verfahren nutzt die starke Wechselwirkung zwischen dem Protein Streptavidin und dem Vitamin Biotin. Diese ermöglicht es, durch Bindung an Biotin weitere Komponenten in das Protein einzuschleusen und auf diese Weise ein künstliches Enzym zu erzeugen.

Konkret wählten die Basler für ihren Zweck eine metallorganische Verbindung, in der mindestens ein Kohlenstoffatom an ein Metallatom gebunden ist. Derartige Verbindungen werden oft als Katalysatoren in industriellen Prozessen verwendet, zeigen jedoch in wässrigen Lösungen oder in einem zellähnlichen Milieu keine oder nur eine geringe katalytische Funktion. Um diese Funktionseinschränkungen zu überwinden, müssen solche Katalysatoren in Gerüstproteine, wie etwa Streptavidin, eingebunden werden.

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«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 ist ein Verfahren zur Bildung und Umverteilung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen, das sowohl in der Forschung als auch in der industriellen Großproduktion verschiedener chemischer Produkte breite Anwendung findet. Biot-Ru-SAV katalysiert nun konkret eine Reaktion, bei der eine ringförmige Verbindung gebildet wird. Wegen ihrer fluoreszierenden Eigenschaften kann diese bei der Analyse einfach detektiert und quantifiziert werden.

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 deutlich besser geeignet», sagt Markus Jeschek, Mitarbeiter im Labor von Sven Panke, Professor am Departement für Biosysteme, ETH Zürich in Basel. Das Periplasma ist ein Zellkompartiment zwischen der inneren Cytoplasmamembran und der äußeren Membran gramnegativer Bakterien; dort tummeln sich potentielle Inhibitoren der Metalloenzyme , wie zum Beispiel Glutathion, lediglich in niedrigen Konzentrationen.

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Jeschek und Co. gelang in ihrer Arbeit jedoch nicht nur, die katalytischen Eigenschaften von biot-Ru-SAV zu verbessern. Sie konnten auch zeigen, dass metallorganyl-basierte Enzyme verändert und optimiert werden können, um 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.»

 

Originalbeitrag:

Markus Jeschek, Raphael Reuter, Tillmann Heinisch, Christian Trindler, Juliane Klehr, Sven Panke & Thomas R. Ward
Directed evolution of artificial metalloenzymes for in vivo metathesis
Nature (2016), doi: 10.1038/nature19114

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Letzte Änderungen: 22.09.2016

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