Kuldetilpassede enzymer kan transformeres ved stuetemperatur

Enzymer fra kulde-elskende organismer, der lever ved lave temperaturer, tæt på vands frysepunkt, udviser meget karakteristiske egenskaber. I en ny undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation , forskere ved Uppsala Universitet har brugt storskalaberegninger til at forklare, hvorfor mange kuldetilpassede enzymer holder op med at fungere ved omkring stuetemperatur.

Enzymer er de "maskiner", der opretholder stofskiftet i alle levende celler, men desværre stopper alle biokemiske reaktioner normalt ved lave temperaturer. Evolutionen har løst dette problem ved at udvikle kuldetilpassede enzymer i arter, hvis indre celletemperatur er den samme som i det kolde ydre miljø. Det gælder for utallige organismer, fra bakterier til visse planter og koldblodede hvirveldyr, såsom fisk, der lever i meget koldt vand. Disse kuldetilpassede enzymer har særlige termodynamiske egenskaber, der gør dem i stand til at fungere under fryseforhold. Åbenbart, de smelter også ved lavere temperaturer end almindelige enzymer; men det gør ingen forskel om de smelter ved cirka 40 grader Celsius, da de aldrig behøver at arbejde i så varmt et miljø.

Imidlertid, en stor uløst gåde har været, hvorfor mange kuldetilpassede enzymer holder op med at fungere selv ved omkring stuetemperatur, længe før de begynder at smelte. Forskere Jaka Socan, Miha Purg og Johan Åqvist har nu, for første gang, lykkedes at forklare dette ved hjælp af omfattende computersimuleringer.

Forskerne simulerede den kemiske reaktion i et stivelsesnedbrydende enzym fra en antarktisk bakterie ved forskellige temperaturer, og sammenlignede dette med beregninger vedrørende det samme enzym fra en alm. varmblodet gris. Det antarktiske enzym viste sig derefter at begynde at bryde op lokalt selv ved stuetemperatur, og denne defekt gør, at stivelsesmolekylerne klæber meget dårligere til enzymet. Dette fænomen giver anledning til en maksimal reaktionshastighed ved 25 grader Celsius, og finder sted ved omkring 15 grader Celsius under smeltepunktet. I svineenzymet, på den anden side, reaktionshastigheden bliver bare ved med at stige, indtil enzymet endelig smelter ved ca. 60 grader Celsius.

Med computerberegninger, det er således muligt at identificere, hvilke dele af de kuldetilpassede enzymer, der giver anledning til deres særlige egenskaber.

"Både vores nye resultater og tidligere resultater fra computersimuleringer af forskellige kuldetilpassede enzymer, og deres mutanter, vise, at vi nu har nået et stadie, hvor man rationelt kan redesigne enzymer for at ændre deres egenskaber på en forudsigelig måde. Denne tilgang har længe været et mål, men til dato har det ikke været i stand til at konkurrere med tilfældig laboratorieudvikling af enzymer, som Frances Arnold blev tildelt Nobelprisen for i 2018, siger Johan Åqvist, Professor i teoretisk kemi ved Institut for Celle- og Molekylærbiologi, Uppsala Universitet.