Aktuelles: Kontrolle enzymatischer Funktion durch Licht

Enzyme sind Biokatalysatoren, die praktisch alle zellul?ren Reaktionen, d.h. die Umwandlung einer Substanz (Substrat) in eine andere Substanz (Produkt), beschleunigen und dadurch Leben in der uns bekannten Form erst m?glich machen. Chemisch geh?ren Enzyme zu den Proteinen (Eiwei?molekülen) und bestehen aus einer Kette von Aminos?uren, deren Abfolge ihre Raumstruktur und damit auch ihre jeweilige Funktion festlegt. Besonders wichtig für die Funktion sind die so genannten ?aktiven Zentren“ von Enzymen. Sie bestehen aus einigen wenigen Aminos?uren, die das Substrat binden und ins Produkt umsetzen. Viele Substrate kommen in zwei so genannten enantiomeren Formen vor, die sich wie Bild und Spielegelbild zueinander verhalten. Wichtig ist, dass in der Regel nur eines der beiden Enantiomere durch das aktive Zentrum gebunden und umgesetzt wird, eine Eigenschaft die ?Enantioselektivit?t“ genannt wird.  

Wegen ihrer hohen Leistungsf?higkeit eignen sich Enzyme auch für Anwendungen in industriellem oder medizinischem Umfeld. Dazu ist es jedoch erforderlich, ihre Aktivit?ten gezielt zu modifizieren und zu steuern. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网 geschieht mittels Proteinengineering, wobei eine der 20 natürlich vorkommenden Aminos?uren gezielt gegen eine andere ausgetauscht wird. Durch eine Umprogrammierung des für die Herstellung von Proteinen zust?ndigen zellul?ren Apparates k?nnen seit kurzem natürliche Aminos?uren auch durch in Zellen nicht vorkommende (unnatürliche) Aminos?uren (UAS) ersetzt werden. Dadurch ergeben sich neue M?glichkeiten zur Etablierung und Steuerung von Enzymaktivit?ten. Eine besonders interessante Option stellen dabei photo-sensitive UAS dar, die in der N?he des aktiven Zentrums von Enzymen eingebaut werden und dadurch Einfluss auf Substratbindung und Katalyse nehmen. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e Technik wurde im Rahmen der hier besprochenen Arbeit auf das Enzym Phosphotriesterase (PTE) angewendet, welche enantioselektiv toxische Substrate mit Organophosphatanteilen zu ungiftigen Produkten abbaut.

Nach dem Einbau der UAS am aktiven Zentrum der PTE wurde zun?chst nur eines der beiden Enantiomere gebunden. Wurde die Probe anschlie?end mit ultraviolettem Licht bestrahlt und dadurch die chemische Zusammensetzung der UAA ge?ndert, konnte stattdessen das andere Enantiomer gebunden und ins Produkt umgesetzt werden. Somit konnte am Beispiel der PTE erstmals die Enantioselektivit?t eines Enzyms durch Licht artifiziell gesteuert werden. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e Daten wurden durch eine anschlie?ende detaillierte bioinformatische Analyse auf der Basis der Raumstruktur der PTE und der Ver?nderung des aktiven Zentrums durch die UAS erkl?rt. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e Ergebnisse er?ffnen neue M?glichkeiten der exakten r?umlich-zeitliche Kontrolle von biochemischen Transformationen mit potenziellen Anwendungsm?glichkeiten in der pharmazeutisch-chemischen Industrie.

Die Arbeit entstand in Kooperation zwischen den Arbeitsgruppen von Prof. Reinhard Sterner und Prof. Till Rudack (Institut für Biophysik und physikalische Biochemie; Regensburg Center for Biochemistry) mit Prof. Frank Raushel (Department of Chemistry, Texas A & M University), der sich zu einem mit einem Humboldt-Forschungspreis finanziertem Forschungsfreisemester an der Universit?t Regensburg aufhielt. 

Originalpublikation

Caroline Hiefinger, Gabriel Zinner, Torben F. Fürtges, Tamari Narindoshvili, Sebastian Schindler, Astrid Bruckmann, Till Rudack, Frank M. Raushel, Reinhard Sterner (2025). Photo-Controlling the Enantioselectivity of a Phosphotriesterase via Incorporation of a Light-Responsive Unnatural Amino Acid. JACS Au 5, 858-870.
https://doi.org/10.1021/jacsau.4c01106 (externer Link, ?ffnet neues Fenster)