Organiseret kaos i enzymkomplekset – overraskende indsigt og nye perspektiver

For proteinmolekyler, der bidrager til stofskiftet, interaktioner med andre komponenter i deres metaboliske vej kan være afgørende. Forskere ved Max Planck Instituttet for Udviklingsbiologi i Tübingen har nu undersøgt et naturligt enzymkompleks, der omfatter 10 enzymer med fem forskellige aktiviteter. De fandt ud af, at den molekylære arkitektur er overraskende kompakt, tilbyder dog individuelle enzymer maksimal fri bevægelighed, som åbner op for nye perspektiver for lægemiddelopdagelse. Forskerne har offentliggjort deres resultater i Naturens kemiske biologi .

I lærebøger, metaboliske veje ligner altid en smule samlebåndsarbejde. Det ene enzym følger det andet som perler på en snor. Mellemprodukter fjernes eller sendes videre fra en station til en anden. "Imidlertid, i cellen, dette sker ofte ikke på en så velordnet måde, siger Marcus Hartmann, gruppeleder ved Max Planck Institute for Developmental Biology. "De individuelle komponenter i en metabolisk vej kan være placeret i forskellige områder i cellen, og i de fleste tilfælde, det er ikke forstået, hvis og hvordan de kommer sammen til at danne ordnede strukturer."

For at forstå funktionen og dynamikken af ​​metaboliske veje, forskere ser også på interaktionen og hierarkier af de enkelte komponenter. Dette er den eneste måde at forstå det overordnede billede.

Med det i tankerne, Hartmann og hans team har undersøgt en ellers velundersøgt shikimate-vej. Det forekommer i planter og mikroorganismer, herunder patogene svampe og parasitære protister såsom de patogener, der forårsager toxoplasmose eller malaria. En af dens opgaver er at syntetisere forstadierne til aminosyrerne phenylalanin, tyrosin og tryptofan, som er essentielle for dyr og mennesker. Denne vej har for nylig også vundet opmærksomhed som målet for det berygtede herbicid glyphosat.

Forskerne fra Tübingen bemærkede, at mens størstedelen af ​​enzymerne i shikimat-vejen er til stede individuelt i plante- og bakterieceller, hos svampe og protister, fem af de syv komponenter er kombineret i et stort enzymkompleks kendt som AROM. "Vi ville gerne vide, hvordan dette store kompleks er opbygget, og hvad fordelene ved dets arkitektur kan være, " siger Hartmann. "F.eks. hvis katalyse er mere effektiv i dette kompleks."

Det lykkedes forskerne at løse en krystalstruktur af hele proteinkomplekset. De fandt ud af, at de fem enzymkomponenter, hver i to eksemplarer, samles til en kompakt struktur med i alt 10 komponenter på et meget lille rum. "Vi havde ikke forventet en så kompakt arkitektur, " siger Hartmann. "Mange enzymer i shikimate-vejen har faktisk brug for ret meget albuerum til deres arbejde."

Takket være sin geniale arkitektur, imidlertid, den tilgængelige plads i AROM-komplekset er tilstrækkelig. Hartmann siger, at selvom krystalstrukturen kun repræsenterer et statisk øjebliksbillede af komplekset, "de enkelte komponenter er så godt undersøgt, at vi i en computermodel kan simulere, hvordan de bevæger sig i komplekset."

Det viste sig, at den nødvendige handlefrihed for de enkelte enzymer er skræddersyet, så de kan bevæge sig selvstændigt uden kollisioner. "Vi har faktisk ikke beviser for nogen koordinering af de individuelle enzymbevægelser, " siger Harshul Arora Verasztó, første forfatter til undersøgelsen. "Det er mere som organiseret kaos."

Yderligere undersøgelser har vist, at en ren klyngning af enzymer - for at danne AROM-komplekset - ikke er tilstrækkelig, ikke giver en katalytisk fordel for svampe og protisters shikimat-vej - i det mindste på basis af de nuværende data. "En sammenligning under laboratorieforhold har vist, at kompleksets gennemløb ikke er højere end for de spredte individuelle enzymer, " siger Hartmann. "For bioteknologer, der forsøger at optimere effektiviteten af ​​katalytiske kaskader via klynging af enzymer, det kan være overraskende nyheder."

I første omgang, de resultater, som Tübingen-forskerne har opnået, bidrager til grundforskningen - for at få indsigt i, hvordan enzymer og især enzymkomplekser fungerer i metaboliske veje. Imidlertid, de åbner også helt nye perspektiver for lægemiddelopdagelse. "I denne forbindelse det tætte arrangement af de særligt fleksible enzymkomponenter i AROM-komplekset er yderst interessant, " forklarer Hartmann.

I de fleste tilfælde, narkotikaangreb på de katalytiske centre, på de steder, hvor enzymer udfører deres reaktioner. "For AROM-komplekset, det er tænkeligt at udvikle lægemidler, der fungerer som en kile mellem de enzymatiske komponenter for at blokere dem." Denne tilgang kan føre til udviklingen af ​​inhibitorer, der kun virker på svampe eller protister, såsom patogener, der forårsager toxoplasmose eller malaria, men forring ikke planters og bakteriers shikimat-vej.