Künstliche Enzyme werden immer „natürlicher“

Künstliche Enzyme werden immer „natürlicher“
Medienmitteilung | Basel, 29 August 2016
Wissenschaftler des NCCR Molecular Systems Engineering haben ein künstliches
Metalloenzym entwickelt, das innerhalb einer lebenden Zelle eine Reaktion katalysiert, die so
in der Natur nicht vorkommt. Mit solchen Enzymen könnten erstmals neue nicht-natürliche
Stoffwechselwege in lebenden Zellen erschaffen werden. Die Arbeit wurde in der Zeitschrift
Nature veröffentlicht.
Das künstliche Metalloenzym mit Namen biot-Ru-SAV wurde mit der sogenannten BiotinStreptavidin-Technologie hergestellt. Dieses oft genutzte Verfahren beruht auf der starken
Wechselwirkung zwischen dem Protein Streptavidin und dem Vitamin Biotin. Durch Bindung an
Biotin kann man weitere Komponenten in das Protein einschleusen und so ein künstliches Enzym
erzeugen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine sogenannte metallorganische Verbindung gewählt,
in der mindestens ein Kohlenstoffatom an ein Metallatom gebunden ist. Derartige Verbindungen
werden oft als Katalysatoren in industriellen Prozessen verwendet, zeigen jedoch in wässrigen
Lösungen oder in einem zellähnlichen Milieu keine oder nur eine geringe katalytische Funktion.
Um diese Funktionseinschränkungen zu überwinden, müssen solche Katalysatoren in
Gerüstproteine, wie z.B. Streptavidin, eingebunden werden.
„Unser Ziel war es, ein künstliches Metalloenzym zu entwickeln, das eine Alkenmetathese
katalysieren kann. Diese Reaktion findet sich nicht im Repertoire natürlicher Enzyme“, sagt
Thomas R. Ward, Professor am Departement Chemie der Universität Basel. Die Alkenmetathese ist
ein Verfahren zur Bildung und Umverteilung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen, das
sowohl in der Forschung als auch in der industriellen Grossproduktion verschiedener chemischer
Produkte breite Anwendung findet. Biot-Ru-SAV katalysiert eine Reaktion, bei der eine ringförmige
Verbindung gebildet wird. Wegen ihrer fluoreszierenden Eigenschaften kann diese bei der Analyse
einfach detektiert und quantifiziert werden.
Periplasma als Reaktionsraum
Das Milieu innerhalb einer lebenden Zelle ist jedoch bei weitem nicht ideal für das reibungslose
Funktionieren metallorganyl-basierter Enzyme. „Der Durchbruch kam mit der Idee, das Periplasma
von Escherichia coli als Reaktionsraum zu verwenden. Dieses Milieu ist für einen
Alkenmetathesekatalysator viel besser geeignet“, sagt Markus Jeschek, ein Forscher aus dem Labor
von Sven Panke, Professor am Departement für Biosysteme, ETH Zürich in Basel. Das Periplasma
ist ein Zellkompartiment zwischen der inneren Cytoplasmamembran und der äußeren Membran
Gram-negativer Bakterien und enthält nur eine niedrige Konzentrationen von Inhibitoren der
Metalloenzyme, wie z. B. Glutathion.
Nachdem sie die idealen in vivo Bedingungen für ihr Enzym gefunden hatten, gingen die
Wissenschaftler noch einen Schritt weiter und optimierten Biot-Ru-SAV durch sogenannte
gerichtete Evolution. Diese Methode imitiert natürliche Prozesse zur Optimierung und Veränderung
von Proteinen und deren Eigenschaften. „Wir konnten so ein einfaches und robustes ScreeningVerfahren entwickeln, mit dem wir Tausende von Biot-Ru-SAV-Mutanten testen und die aktivste
Variante identifizieren konnten“, erklärt Ward. Den Wissenschaftlern gelang es nicht nur, die
katalytischen Eigenschaften von Biot-Ru-SAV zu verbessern. Sie konnten auch zeigen, dass
metallorganyl-basierte Enzyme verändert und optimiert werden können, um eine Vielzahl
verschiedener chemischer Produkte herzustellen. „Das Spannende daran ist, dass künstliche
Metalloenzyme wie Biot-Ru-SAV dazu verwendet werden können, um neue Chemikalien mit
hohem Mehrwert zu produzieren“, sagt Ward. „Das hat ein großes Potential zur Vereinigung
chemischer und biologischer Werkzeuge, um letztendlich Zellen als molekulare Fabriken zu
nutzen.“
Originalarbeit
Jeschek M, Reuter R, Heinisch T, Trindler C, Klehr J, Panke S, Ward TR. Directed evolution of
artificial metalloenzymes for in vivo metathesis. Nature 2016 Aug 29. doi: 10.1038/nature19114
Weitere Auskünfte
Prof. Thomas R. Ward, Universität Basel, Departement Chemie; Tel. +41 61 267 10 04; E-Mail:
[email protected]
Prof. Sven Panke, Department of Biosystems Science and Engineering, ETH Zürich; Tel. +41 61
387 32 09; E-Mail: [email protected]
Über den NCCR Molecular Systems Engineering
Der NCCR Molecular Systems Engineering ist ein nationaler Forschungsschwerpunkt, der vom
Schweizerischen Nationalfonds (SNF) finanziert und von der Universität Basel und der ETH Zürich
geleitet wird. Er kombiniert die Disziplinen Chemie, Biologie, Physik mit Bioinformatik und
Engineering. Das wissenschaftliche Ziel ist es, molekulare Module zu synthetisieren und in
molekularen Fabriken mit annähernd gleicher Komplexität einer Zelle zusammenzubauen. Diese
molekularen Fabriken sollen für die industrielle Produktion oder zur Kontrolle zellulärer Systeme
im medizinischen Bereich verwendet werden.
Links
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FG Panke
NCCR Molecular Systems Engineering