{"id":125346,"date":"2023-04-17T07:03:00","date_gmt":"2023-04-17T05:03:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=125346"},"modified":"2023-04-13T09:12:00","modified_gmt":"2023-04-13T07:12:00","slug":"struktur-eines-olfressenden-enzyms-offnet-die-tur-zu-biotechnologisch-hergestellten-katalysatoren","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/struktur-eines-olfressenden-enzyms-offnet-die-tur-zu-biotechnologisch-hergestellten-katalysatoren\/","title":{"rendered":"Struktur eines “\u00f6lfressenden” Enzyms \u00f6ffnet die T\u00fcr zu biotechnologisch hergestellten Katalysatoren"},"content":{"rendered":"\n\n\n

Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums haben die erste Struktur eines Enzyms auf atomarer Ebene erstellt, das selektiv Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen schneidet – der erste und schwierigste Schritt bei der Umwandlung einfacher Kohlenwasserstoffe in n\u00fctzlichere Chemikalien. Wie in einer in\u00a0Nature Structural & Molecular Biology<\/em>\u00a0ver\u00f6ffentlichten Arbeit beschrieben, zeigt die detaillierte “Blaupause” auf atomarer Ebene Wege auf, das Enzym so zu ver\u00e4ndern, dass es die gew\u00fcnschten Produkte produziert.<\/p>\n\n\n\n

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Aktives Zentrum: Diese Nahaufnahmen des AlkB-Aktivzentrums zeigen, wie neun Histidin-Aminos\u00e4uren (im linken Bild als “H” bezeichnet) einen Hohlraum bilden (grau schattierter Bereich, rechts). Dieser Hohlraum leitet das Substrat (magenta) in einer einzigen Ausrichtung zum aktiven Zentrum (in der N\u00e4he der beiden Eisenatome), wo nur die terminale Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung gespalten werden kann. Wenn man das Enzym so ver\u00e4ndert, dass die Form dieses Hohlraums ver\u00e4ndert wird, k\u00f6nnte das Enzym verschiedene C-H-Bindungen angreifen. \u00a9<\/strong> Brookhaven National Laboratory<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums haben die erste Struktur eines Enzyms auf atomarer Ebene erstellt, das selektiv Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen schneidet – der erste und schwierigste Schritt bei der Umwandlung einfacher Kohlenwasserstoffe in n\u00fctzlichere Chemikalien. Wie in einer in Nature Structural & Molecular Biology<\/em> ver\u00f6ffentlichten Arbeit beschrieben, zeigt die detaillierte “Blaupause” auf atomarer Ebene Wege auf, das Enzym so zu ver\u00e4ndern, dass es die gew\u00fcnschten Produkte produziert.<\/p>\n\n\n\n

“Wir wollen einen vielf\u00e4ltigen Pool von Biokatalysatoren schaffen, bei denen man gezielt das gew\u00fcnschte Substrat ausw\u00e4hlen kann, um aus den reichlich vorhandenen Kohlenwasserstoffen die gew\u00fcnschten und einzigartigen Produkte herzustellen”, sagte der Co-Leiter der Studie, Qun Liu, ein Strukturbiologe am Brookhaven Lab. “Der Ansatz w\u00fcrde uns eine kontrollierbare M\u00f6glichkeit bieten, billige und reichlich vorhandene Alkane – einfache Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen, die 20-50 Prozent des Roh\u00f6ls ausmachen – in wertvollere Bioprodukte oder chemische Vorprodukte, einschlie\u00dflich Alkohole, Aldehyde, Carboxylate und Epoxide, umzuwandeln.<\/p>\n\n\n\n

Die Idee ist besonders attraktiv, weil bei den meisten industriellen katalytischen Prozessen zur Umwandlung von Alkanen unerw\u00fcnschte Nebenprodukte und w\u00e4rmefressendes Kohlendioxid (CO2<\/sub>) entstehen. Au\u00dferdem enthalten sie kostspielige Materialien und erfordern hohe Temperaturen und hohen Druck. Das biologische Enzym mit dem Namen AlkB arbeitet unter einfacheren Bedingungen und mit sehr hoher Spezifit\u00e4t. Es verwendet kosteng\u00fcnstiges, in der Erde reichlich vorhandenes Eisen, um die Chemie in Gang zu setzen, und erzeugt dabei nur wenige unerw\u00fcnschte Nebenprodukte.<\/p>\n\n\n\n

“Die Natur hat herausgefunden, wie man diese Art von Chemie mit einem preiswerten, reichlich vorhandenen Metall und bei Umgebungstemperatur und -druck durchf\u00fchren kann”, sagte John Shanklin, Vorsitzender des Brookhaven Lab’s Biology Department und einer der Hauptautoren der Studie. “Infolgedessen gab es ein gro\u00dfes Interesse an diesem Enzym, aber ein v\u00f6lliges Unverst\u00e4ndnis seiner Architektur und seiner Funktionsweise – was notwendig ist, um es f\u00fcr neue Zwecke umzugestalten. Mit dieser Struktur haben wir dieses Hindernis nun \u00fcberwunden”.<\/p>\n\n\n\n

Vom ranzigen \u00d6l zum s\u00fc\u00dfen Erfolg<\/h3>\n\n\n\n

AlkB wurde vor 50 Jahren in einer Maschinenwerkstatt entdeckt, wo Bakterien K\u00fchl\u00f6l verdauten und es ranzig riechen lie\u00dfen. Biochemiker entdeckten das bakterielle Enzym AlkB als den Faktor, der den ungew\u00f6hnlichen Appetit der Mikroben erm\u00f6glichte. Seitdem sind Wissenschaftler daran interessiert, sich die F\u00e4higkeit von AlkB, Kohlenwasserstoffe zu fressen, zunutze zu machen.<\/p>\n\n\n\n

Im Laufe der Jahre zeigten Studien, dass das Enzym teilweise in die Membranen der Bakterien eingebettet ist und mit zwei anderen Proteinen zusammenarbeitet. Shanklin und Liu – und auch andere Wissenschaftler – versuchten, die Struktur des Enzyms mithilfe der R\u00f6ntgenkristallographie zu entschl\u00fcsseln. Bei dieser Methode wird eine kristallisierte Version eines Proteins mit hochintensiven R\u00f6ntgenstrahlen bestrahlt, um zu ermitteln, wo sich die Atome befinden. Aber Membranproteine wie AlkB sind bekannterma\u00dfen schwer zu kristallisieren – vor allem, wenn sie Teil eines Multiproteinkomplexes sind.<\/p>\n\n\n\n

“Wir konnten keine ausreichend hohe Aufl\u00f6sung erzielen”, so Liu.<\/p>\n\n\n\n

Anfang 2021 er\u00f6ffnete Brookhaven dann seine neue Kryo-Elektronenmikroskop-Einrichtung (Kryo-EM), das Laboratory for BioMolecular Structure (LBMS). Die Wissenschaftler nutzten ein Kryo-EM, das keine kristallisierte Probe ben\u00f6tigt, um Bilder von einigen Millionen einzelner gefrorener Proteinmolek\u00fcle aus vielen verschiedenen Blickwinkeln zu machen. Computergest\u00fctzte Werkzeuge sortierten dann die Bilder, identifizierten und mittelten die gemeinsamen Merkmale und erstellten schlie\u00dflich eine hochaufl\u00f6sende, dreidimensionale Karte des Enzymkomplexes. Anhand dieser Karte setzten die Wissenschaftler dann die bekannten atomaren Strukturen der einzelnen Aminos\u00e4uren, aus denen der Proteinkomplex besteht, zusammen, um die Details in drei Dimensionen zu vervollst\u00e4ndigen.<\/p>\n\n\n\n

Die richtigen Bedingungen zu finden, um die Transmembranregion des Enzyms zu stabilisieren und die strukturellen Details beizubehalten, war eine Herausforderung, die ein hohes Ma\u00df an Versuch und Irrtum erforderte. Shanklin lobt Jin Chai, einen der Forscher in seinem Labor, “f\u00fcr sein Engagement und seine Entschlossenheit, dieses R\u00e4tsel zu l\u00f6sen.”<\/p>\n\n\n\n

Struktur enth\u00fcllt Funktionsweise des Enzyms<\/h3>\n\n\n\n

Die detaillierte Struktur zeigt genau, wie AlkB und eines der beiden assoziierten Proteine (AlkG) zusammenarbeiten, um Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen zu spalten. Tats\u00e4chlich enthielt die gel\u00f6ste Struktur einen unerwarteten Bonus: ein Substrat-Alkanmolek\u00fcl, das in der aktiven Stelle des Enzyms gefangen war.<\/p>\n\n\n\n

“Unsere Struktur zeigt, wie die Aminos\u00e4uren, aus denen dieses Enzym besteht, einen Hohlraum bilden, der das Kohlenwasserstoff-Substrat so ausrichtet, dass nur eine bestimmte Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung an das aktive Zentrum herankommt”, sagte Liu. “Es zeigt auch, wie Elektronen vom Tr\u00e4gerprotein (AlkG) zum Di-Eisen-Zentrum an der aktiven Stelle des Enzyms wandern, so dass es ein Sauerstoffmolek\u00fcl aktivieren kann, um diese Bindung anzugreifen”.<\/p>\n\n\n\n

Shanklin schl\u00e4gt vor, sich das Enzym als eine Maschine vorzustellen, die Bindungen wie eine Kreiss\u00e4ge durchschneidet: “Wie man das Alkan in Bezug auf das Di-Eisen-Zentrum des Enzyms h\u00e4lt, bestimmt, wie der aktivierte Sauerstoff mit dem Kohlenwasserstoff interagiert. Wenn man das Ende des Alkans gegen den aktivierten Sauerstoff f\u00fchrt, wird es am letzten Kohlenstoff eine chemische Reaktion ausl\u00f6sen.<\/p>\n\n\n\n

“Wir wollen die Form der aktiven Stelle ver\u00e4ndern, damit das Substrat (oder ein anderes Substrat) sich dem aktivierten Sauerstoff in verschiedenen Winkeln und an verschiedenen Stellen der C-H-Bindung n\u00e4hern kann, um verschiedene Reaktionen durchzuf\u00fchren.<\/p>\n\n\n\n

In der Natur, so die Wissenschaftler, liefert ein drittes, in dieser Struktur nicht enthaltenes Protein (AlkT) die Elektronen an AlkG, das Tr\u00e4gerprotein. Das Tr\u00e4gerprotein transportiert dann die Elektronen zu den beiden Eisenatomen, die den Sauerstoff an der aktiven Stelle von AlkB aktivieren. Der Ersatz dieses elektronenspendenden Proteins durch eine Elektrode zur Elektronenversorgung w\u00e4re einfacher und kosteng\u00fcnstiger als die Verwendung des biologischen Elektronenspenders, schlagen sie vor.<\/p>\n\n\n\n

Das DOE hat gerade den Antrag des Teams zur Entwicklung solcher “Transformative Biohybrid-Diiron-Katalysatoren f\u00fcr die C-H-Bindungsfunktionalisierung” finanziert, der zum Teil auf dieser vorl\u00e4ufigen Strukturarbeit beruht.<\/p>\n\n\n\n

“Diese Struktur und unser Wissen \u00fcber die Funktionsweise des AlkG\/AlkB-Komplexes versetzen uns in die Lage, dieses Enzym biotechnisch zu ver\u00e4ndern, um auszuw\u00e4hlen, welche Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung in einer Vielzahl von Substraten aktiviert wird, und um die Elektronen und den Sauerstoff zu kontrollieren, um seine Selektivit\u00e4t neu zu gestalten”, sagte Liu.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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