Was sind Enzyme und warum sind sie wichtig?

Enzyme sind sogenannte Biokatalysatoren – das bedeutet, sie beschleunigen chemische Reaktionen in lebenden Zellen. Ohne sie könnten viele Prozesse im Körper nicht schnell genug ablaufen, um das Leben, wie wir es kennen, zu ermöglichen.

Chemisch gehören Enzyme zu den Proteinen, also zu den Eiweißmolekülen, und bestehen aus einer Kette von Aminosäuren, deren Abfolge ihre Raumstruktur und damit auch ihre jeweilige Funktion festlegt. Ihre genaue Form bestimmt, welche Aufgabe sie übernehmen können. Besonders wichtig sind dabei die aktiven Zentren – das sind spezielle Bereiche des Enzyms, an denen die chemische Reaktion stattfindet. Hier dockt die Ausgangssubstanz (das Substrat) an und wird in das gewünschte Endprodukt umgewandelt.

Warum ist die richtige Form wichtig?

Viele chemische Verbindungen gibt es in zwei Formen, die sich wie Spiegelbilder verhalten. Man nennt sie Enantiomere. Das kann man sich wie eine rechte und eine linke Hand vorstellen – sie sehen ähnlich aus, sind aber nicht deckungsgleich. In der Regel wird nur  eines dieser Enantiomere durch das aktive Zentrum gebunden und umgesetzt. Diese Eigenschaft nennt man „Enantioselektivität“.

Wie können Enzyme gezielt verändert werden?

Wegen ihrer hohen Leistungsfähigkeit eignen sich Enzyme auch für Anwendungen in industriellem oder medizinischem Umfeld. Dafür ist es oft nötig, die Aktivitäten der Enzyme gezielt zu verändern und zu steuern.

Unnatürliche Aminosäuren (UAS)

Das geschieht durch Proteinengineering – ein Verfahren, bei dem eine der 20 natürlich vorkommenden Aminosäuren gezielt durch eine andere ausgetauscht wird. Durch eine Umprogrammierung des für die Herstellung von Proteinen zuständigen zellulären Apparates können seit Kurzem natürliche Aminosäuren durch unnatürliche Aminosäuren (UAS) ersetzt werden, die in der Natur nicht vorkommen. Dadurch ergeben sich neue Möglichkeiten zur Etablierung und Steuerung von Enzymaktivitäten.

Besonders spannend sind photo-sensitive UAS, die in der Nähe des aktiven Zentrums von Enzymen eingebaut werden und dadurch Einfluss auf Substratbindung und Katalyse nehmen. Sie verändern die Art, wie das Enzym mit seinem Substrat reagiert – je nachdem, ob Licht darauf trifft oder nicht.

Ein Enzym, das auf Licht reagiert

Das Forschungsteam hat diese Technik im Rahmen der Studie auf das Enzym Phosphotriesterase (PTE) angewendet, welche enantioselektiv toxische Substrate mit Organophosphatanteilen zu ungiftigen Produkten abbaut.

Nach dem Einbau der UAS am aktiven Zentrum der PTE wurde zunächst nur eines der beiden Enantiomere gebunden. Wurde die Probe anschließend mit ultraviolettem Licht bestrahlt und dadurch die chemische Zusammensetzung der UAA geändert, konnte stattdessen das andere Enantiomer gebunden und ins Produkt umgesetzt werden.

Somit konnte am Beispiel der PTE erstmals die Enantioselektivität eines Enzyms durch Licht artifiziell gesteuert werden. Mithilfe von Computeranalysen konnte das Team genau erklären, wie diese Veränderung in der Enzymstruktur funktioniert.

Kontrolle von biochemischen Transformationen

Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeitender exakten räumlich-zeitliche Kontrolle von biochemischen Transformationen. Das könnte vor allem für die Entwicklung neuer Medikamente oder chemischer Prozesse sehr nützlich sein und bietet diverse potenzielle Anwendungsmöglichkeiten in der pharmazeutisch-chemischen Industrie.

Die Arbeit entstand in Kooperation zwischen den Arbeitsgruppen von Prof. Reinhard Sterner und Prof. Till Rudack (Institut für Biophysik und physikalische Biochemie; Regensburg Center for Biochemistry) mit Prof. Frank Raushel (Department of Chemistry, Texas A & M University), der sich zu einem mit einem Humboldt-Forschungspreis finanziertem Forschungsfreisemester an der Universität Regensburg aufhielt.

Originalpublikation:
Caroline Hiefinger, Gabriel Zinner, Torben F. Fürtges, Tamari Narindoshvili, Sebastian Schindler, Astrid Bruckmann, Till Rudack, Frank M. Raushel, Reinhard Sterner (2025). Photo-Controlling the Enantioselectivity of a Phosphotriesterase via Incorporation of a Light-Responsive Unnatural Amino Acid. JACS Au 5, 858-870.
DOI/10.1021/jacsau.4c01106

Quelle: Universität Regensburg