Auf der Suche nach promisken Enzymen

Leuchten weist den Weg: Gekoppelter Enzymtest hilft bei der Suche nach einem passenden Biokatalysator

16.12.2005

Mit Hilfe von Biokatalysatoren lassen sich viele Produkte besonders effektiv, wirtschaftlich und umweltfreundlich herstellen. Für eine spezielle Reaktion ein passendes Enzym aus der Unzahl an natürlichen Enzymen auszudeuten, gleicht jedoch der Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Britische Forscher haben nun ein Screeningmethode entwickelt, mit der eine solche Suche systematisch, relativ rasch und einfach angegangen werden könnte.

Die meisten Umsetzungen, die der Chemiker gern in seinem Reaktor laufen lassen möchte, kommen in der Natur so nicht vor. Verständlich also, dass die Natur im Normalfall nicht einfach ein passendes Enzym bereit hält. Zuweilen lässt sich aber eines finden, das neben seiner eigentlichen Aufgabe - wenn auch mit einer geringen Aktivität - außerdem die Wunschreaktion katalysiert. Viele Enzyme setzen auch Verbindungen um, die ihrem natürlichen Substrat ähneln ("Substratmehrdeutigkeit"), andere Enzyme katalysieren sogar verschiedene Reaktionstypen ("Katalysatorpromiskuität"). Ein Enzym, dass eine gewisse Aktivität für die gewünschte Reaktion zeigt, kann durch gezielte Mutationen oftmals so weit optimiert werden, dass es produktionstauglich wird.

John D. Sutherland und sein Team von der Universität Manchester haben anhand eines Beispielreaktion, der Umsetzung eines Alkohols zu einem Aldehyd, demonstriert, wie man ein Enyzm finden kann. Erfolgsgeheimnis ist die Kopplung der Wunschreaktion an eine Folgereaktion, die sich einfach und sehr empfindlich detektieren lässt. Die Forscher zerstückeln die gesamte Erbinformation eines Mikroorganismus und bauen einzelne Bruchstücke in Bakterien ein. Diese bilden Kolonien, die die entsprechenden Proteine in hoher Zahl herstellen. Alle Kolonien zusammen repräsentieren somit die Gesamtheit der Proteine des Mikroorganismus, das "Proteom". Dem Medium wird nun der umzusetzende Alkohol zugegeben. Enthält eine der Kolonien ein brauchbares Enzym, wird es den Alkohol in einen Aldehyd verwandeln. Allen Bakterien wird zusätzlich ein Gen eingepflanzt, das für das Enzym Luciferase codiert. Die Luciferase setzt Aldehyde zu den entsprechenden Säuren um. Dabei wird Energie in Form von Licht frei. Kolonien, in denen der zugegebene Alkohol zum gewünschten Aldehyd umgesetzt werden kann, geben sich durch ihr Leuchten leicht zu erkennen. Die Detektion ist so empfindlich, dass bereits sehr geringe Enzymaktivitäten auffallen. Leuchtende Kolonien werden dann selektiert, und anhand ihrer fremden Genschnipsel lässt sich das gesuchte alkoholumsetzende Enzym identifizieren.

Originalveröffentlichung: J. D. Sutherland; "Substrate Ambiguity and Catalytic Promiscuity Within a Bacterial Proteome Probed by an Easy Phenotypic Screen for Aldehydes"; Angewandte Chemie 2006, 118, 307.

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