Forskere udløser enzymer med lys

Enzymer er de centrale drivkræfter for biokemiske metaboliske processer i enhver levende celle, gør det muligt for reaktioner at finde sted effektivt. Det er denne evne, der gør dem nyttige som katalysatorer inden for bioteknologi, for eksempel, at skabe kemiske produkter såsom lægemidler. Et emne, der i øjeblikket bliver meget diskuteret, er fotoinduceret katalyse, hvor forskerne udnytter evnen til at starte biokemiske reaktioner ved hjælp af lys. Denne proces kræver enzymer, der kan aktiveres ved hjælp af lys. Det er ikke, imidlertid, en simpel sag at inkorporere de få naturligt forekommende lysaktiverbare enzymer i bioteknologiske processer, da de er højt specialiserede og svære at manipulere.

Forskere ved universiteterne i Münster (Tyskland) og Pavia (Italien) har nu identificeret et enzym, der bliver katalytisk aktivt, når det udsættes for blåt lys, og som straks udløser en reaktion, der hidtil var ukendt inden for enzymologi. Den pågældende reaktion er en speciel monooxygenase reaktion, hvor et oxygenatom overføres til substratet. Reaktionen understøttes af et hjælpemolekyle, der leverer to elektroner trinvist. Tidligere, det var blevet antaget, at en sådan lysafhængig reaktion ikke kan forekomme i enzymer.

"Det enzym, vi har identificeret, tilhører en meget stor familie af enzymer, og det er realistisk at antage, at andre enzymer, der kan aktiveres af lys, kan produceres ved hjælp af genetisk manipulation og bruges i en meget bred vifte af applikationer, " siger Dr. Steffen L. Drees, der stod i spidsen for studiet og arbejder på Institut for Molekylær Mikrobiologi og Bioteknologi ved Münster Universitet. En mulig anvendelse, for eksempel, er produktion af lægemidler aktiveret ved hjælp af lys. Undersøgelsen er blevet offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

I deres undersøgelse, forskerne undersøgte enzymet PqsL, som findes i det opportunistiske patogen Pseudomonas aeruginosa og, oprindeligt ikke var lysafhængig. Forskerne stimulerede enzymet med blåt lys og analyserede reaktionen ved hjælp af en kombination af tidsopløste spektroskopiske og krystallografiske teknikker.

Enzymet tilhører familien af ​​flavoproteiner, og typisk for denne familie af proteiner, bruger et derivat af vitamin B2 som en såkaldt kofaktor til katalysering af inkorporering af ilt i organiske molekyler. Cosubstratet NADH (reduceret nikotinamid adenindinukleotid) er nødvendigt som et "hjælpermolekyle" til den enzymatiske reaktion, giver de nødvendige elektroner. Reaktionsmekanismen, som forskerne observerede i deres undersøgelse, var tidligere ukendt. Aktiveres ved eksponering for lys i flavin-NADH-komplekset, NADH overfører en enkelt elektron til det proteinbundne flavin. På denne måde der skabes et flavinradikal - dette er et meget reaktivt molekyle karakteriseret ved en uparret elektron. Ved hjælp af tidsopløst spektroskopi, forskerne var i stand til at observere, hvordan molekylet blev dannet og ændrede sin tilstand.

Flavinradikalet har et meget negativt redoxpotentiale, hvilket betyder, at den har en stor kapacitet til at overføre elektroner til reaktionspartnere. "På grund af denne ejendom, vi antager, at flavinradikalet også kan muliggøre yderligere reaktioner, hvilket ville udvide det katalytiske potentiale af dette enzym – såvel som andre enzymer også, måske, "siger gruppeleder prof. Susanne Fetzner.

Det identificerede enzym er det eneste, der hidtil ikke er naturligt fotoaktivt, og udfører en lysuafhængig reaktion i bakteriecellen. "Enzymets tredimensionelle struktur viser, at den udadvendte flavin-co-faktor kan være nøglen til fotoaktivering, siger Simon Ernst, første forfatter til undersøgelsen.

Fotoaktive enzymer muliggør et stort antal anvendelser – f.eks. flertrinskatalyse i en et-kar reaktion eller rumligt opløst katalyse, for eksempel, at funktionalisere overflader i bestemte mønstre. De kan også være nyttige til såkaldt prodrug-aktivering i kroppen eller på huden - dette er en proces, hvor et farmakologisk stof først bliver aktivt efter metabolisering i organismen.