Wissenschaftler entwickeln eine neue Methode, um Funktionen von Enzymen zu verbessern
Waschmittel, Käseherstellung oder Blutzuckertests – überall dort sind Enzyme wirksam und beeinflussen chemische Reaktionen. Ein internationales Forscherteam aus Tschechien, Deutschland und Japan hat eine neue Methode entwickelt, um die Eigenschaften von Enzymen zu verbessern. Die Methode hat das Entwicklungspotenzial für weitgefächerte Anwendungen in der chemischen, medizinischen und der Nahrungsmittelindustrie. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt in Nature Chemical Biology veröffentlicht.
Die veränderten Enzyme können zum Beispiel dafür verwendet werden, um gefährliche chemische Substanzen zu entsorgen, die durch den Menschen in die Umwelt gelangt sind und für Mensch und Tier äußerst gefährlich sind. Die Natur kann im Prinzip viele dieser Chemikalien abbauen, die Forscher haben jedoch einen Ansatz entwickelt, mit dem die gefährlichen Substanzen rasch und effizient entfernt werden können.
Das Prinzip der Entdeckung gründet sich auf der genetischen Manipulation eines Enzyms, das die chemische Reaktion startet und beschleunigt. „Wir können jetzt genetische Veränderungen nutzen, um die Eigenschaften der Enzyme zu verändern, damit sie schneller und leichter die gefährlichen Substanzen in der Umwelt entsorgen können“, berichtet Jiri Damborsky, Leiter der Protein Engineering Group am Institut für Experimentalbiologie der Masaryk University in Brno (Tschechische Republik).
Bislang hatten sich die Wissenschaftler bei der Veränderung von Enzymeigenschaften auf die Stelle im Enzym konzentriert, an der die chemische Reaktion abläuft – auf das aktive Zentrum. Die neue Methode hingegen basiert auf der Veränderung sogenannter “Zugangstunnel” (access tunnels), die das aktive Zentrum mit der Oberfläche des Enzyms verbinden. „Mit speziellen informatischen Techniken haben wir die experimentelle Arbeit unterstützt, diese Tunnel zu manipulieren, um ihre Zugänglichkeit zu den abgebauten Substanzen zu verändern“, sagt Rebecca Wade, Leiterin der Molecular and Cellular Modeling Group am EML Research, dem Forschungsinstitut der Klaus Tschira Stiftung in Heidelberg.
Die Wissenschaftler wandten diesen Ansatz der Enzymmanipulation an, um eine hochgiftige Substanz abzubauen: Trichloropropan (TCP). Diese farblose Flüssigkeit fällt in der chemischen Industrie als Nebenprodukt an. Sie bleibt im Boden und Grundwasser über hundert Jahre vorhanden, verunreinigt das Trinkwasser und ist krebserregend. Mit dem neuen Ansatz entwickelten die Proteinforscher ein verändertes Enzym, das TCP 32-mal schneller abbauen kann als das urspüngliche Enzym. Aber die Methode kann nicht nur im Kampf gegen gefährliche Substanzen und zum Umweltschutz angewendet werden. Die gezielte Veränderung der Tunnel in Enzymen kann für verschiede Anwendungsbereichen nutzbar gemacht werden, wie zum Beispiel Biomedizin, chemische Industrie und Nahrungsmittelproduktion.
Originalveröffentlichung: Martina Pavlova et al.; "Redesigning dehalogenase access tunnels as a strategy for degrading an anthropogenic substrate"; Nature Chemical Biology 2009;5(10):727-33)
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