Das Verständnis der Enzymevolution ebnet den Weg für die grüne Chemie

Forscher der Universität Bristol haben gezeigt, wie die Evolution im Labor hocheffiziente Enzyme für neuartige Reaktionen hervorbringen kann, die neue und umweltfreundlichere Wege zur Herstellung von Medikamenten und anderen Chemikalien eröffnen.

Wissenschaftler haben bisher mit Hilfe von Computern Proteinkatalysatoren von Grund auf neu entworfen, die jedoch weit weniger leistungsfähig sind als natürliche Enzyme. Um ihre Leistung zu verbessern, kann eine Technik namens Laborevolution eingesetzt werden, bei der die amerikanische Chemieingenieurin Frances Arnold Pionierarbeit leistete und für die sie 2018 den Nobelpreis erhielt. Die gerichtete Evolution imitiert die natürliche Selektion und ermöglicht es Wissenschaftlern, die Macht der Biologie zu nutzen, um die Fähigkeit von Proteinen zu verbessern, Aufgaben wie die Katalyse einer bestimmten chemischen Reaktion auszuführen.

Doch obwohl das Forscherteam vor kurzem die Laborevolution genutzt hatte, um ein entwickeltes Enzym um mehr als das 1.000-fache zu verbessern, war nicht bekannt, wie die Evolution seine Aktivität steigert. Bis jetzt.

Der Hauptautor Professor Adrian Mulholland von der School of Chemistry in Bristol sagte: “Die Evolution kann Katalysatoren viel aktiver machen. Das Problem ist, dass die Evolution auf rätselhafte Weise funktioniert: Mutationen, die scheinbar die Katalyse verbessern, beinhalten oft Veränderungen in Aminosäuren, die weit von der aktiven Stelle entfernt sind, an der die Reaktion stattfindet”.

“Wir wollten verstehen, wie die Evolution ineffiziente Designer-Biokatalysatoren in hochaktive Enzyme verwandeln kann”, sagt der Erstautor der Studie, Dr. Adrian Bunzel.

Das internationale Forscherteam aus Bristol, der ETH Zürich und der University of Waikato (NZ) hat dazu molekulare Computersimulationen eingesetzt. “Diese zeigen, dass die Evolution die Art und Weise verändert, wie sich das Protein bewegt – seine Dynamik. Einfach ausgedrückt: Die Evolution ‘stimmt’ die Flexibilität des gesamten Proteins ab”, fügte er hinzu.

Das Team identifizierte auch das Netzwerk von Aminosäuren im Protein, das für diese “Abstimmung” verantwortlich ist. Diese Netzwerke umfassen Teile des Proteins, die durch die Evolution verändert werden.

Dr. Bunzel sagte: “Nach der Evolution scheint das gesamte Protein zusammenzuarbeiten, um die Reaktion zu beschleunigen. Das ist wichtig, denn wenn wir Enzyme entwerfen, konzentrieren wir uns oft nur auf die aktive Stelle und vergessen den Rest des Proteins.”

Prof. Mulholland fügte hinzu: “Diese Art der Analyse könnte dazu beitragen, effektivere ‘de novo’-Enzyme für Reaktionen zu entwickeln, die wir bisher nicht anvisieren konnten.”

Die in Nature Chemistry veröffentlichte Forschungsarbeit zeigt, wie die Evolution Designer-Enzyme leistungsfähiger macht und den Weg zu maßgeschneiderten Katalysatoren für die grüne Chemie ebnet.

Die Forscher werden ihre Erkenntnisse nun dazu nutzen, neue Proteinkatalysatoren zu entwickeln.

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