Syntetiske DNA-baserede enzymer

Enzymer udfører meget specifikke funktioner og kræver lidt energi - derfor er biokatalysatorer også interessante for den kemiske industri. I en oversigtsartikel publiceret i tidsskriftet Naturanmeldelser Kemi , Professor Thomas Happe og lektor Anja Hemschemeier fra Fotobioteknologi-arbejdsgruppen ved Ruhr-Universität Bochum har givet et resumé af, hvad man ved om enzymers mekanismer i naturen. I øvrigt, forfatterne skitserer en fremtidsvision:kunstige biokatalysatorer, der ikke er proteinbaserede, som de normalt er i naturen, men som snarere er lavet af DNA. Artiklen blev offentliggjort den 17. august 2018.

"Etablering af en biobaseret, enzymdrevet industri ville være af enorm værdi både af hensyn til klimabeskyttelsen og af økonomiske årsager, siger Thomas Happe.

Protein-cofaktor interaktioner er afgørende

I naturen, de mest komplicerede og energikrævende reaktioner udføres ofte af meget komplekse proteiner. De indeholder cofaktorer, der ikke består af proteiner; hellere, de er baseret på uorganiske stoffer, ofte metaller. I deres artikel, Hemschemeier og Happe uddyber vigtigheden af ​​atomare detaljer for protein-cofaktor interaktioner i såkaldte metalloenzymer.

Cofaktorens kemiske sammensætning er et afgørende element for at forstå et metalloenzyms præcise reaktionsmekanisme. Forskere har manipuleret individuelle atomer af en cofaktor for at afkode dens betydning. "Imidlertid, det er ikke altid en nem opgave, " siger Happe. "Det er fordi kemikere skal kunstigt generere cofaktoren, og den syntetiske konstruktion skal interagere med enzymets proteindel på en naturlig måde."

Fremstillet semisyntetisk enzym

Et par år siden, et team ledet af Thomas Happe lykkedes med at karakterisere det hydrogenproducerende enzym hydrogenase. I samarbejde med kemikere, biologerne udviklede et semisyntetisk hydrogenaseenzym, hvor de kan erstatte hvert enkelt atom i cofaktoren. Dette giver dem mulighed for at optrevle præcis, hvordan protein og cofaktor arbejder sammen.

Hydrogenaser kan med fordel anvendes i industrien, for at producere den potentielle energibærer brint. Men naturlige hydrogenaser er ikke særlig stabile, især når de udsættes for luft. "Derfor, vi spekulerede på, om vi kunne redesigne disse enzymer til mere robuste versioner, " forklarer Thomas Happe.

"Litteraturen giver allerede mange eksempler på design af kunstige proteiner, " uddyber Anja Hemschemeier. "Men proteiner er ofte for ustabile til at opfylde industriens krav."

Mere stabilitet gennem DNA

Følgelig, bioteknologerne fra Bochum har valgt en ny tilgang:de har til hensigt at erstatte proteiner med DNA, som er meget mere stabil.

Forskere har vidst siden 1980'erne, at nukleinsyrer er i stand til at katalysere kemiske reaktioner, og denne ejendom er blevet undersøgt i dybden lige siden. "Vi har fundet eksempler på nukleinsyrer, der har proteinlignende egenskaber, " siger Hemschemeier. "Det gør de, for eksempel, danner præcise 3D-strukturer, der letter specifikke kemiske reaktioner."

I deres anmeldelsesartikel, Happe og Hemschemeier konkluderer derfor:Det er meget muligt, at vores industri i en ikke alt for fjern fremtid vil være i stand til at bruge DNA-baserede katalysatorer, der efterligner biokatalysatorer så komplekse som hydrogenasen.