15.06.2020 - Uppsala University

Uralte Enzyme können zu einer grüneren Chemie beitragen

Mehrere Milliarden Jahre alte Enzyme wiederbelebt und völlig neue nicht-natürliche Reaktion katalysiert

Ein Forschungsteam an der Universität Uppsala hat mehrere Milliarden Jahre alte Enzyme wieder auferstehen lassen und sie so umprogrammiert, dass sie völlig andere chemische Reaktionen katalysieren, als ihre modernen Versionen es können. Die Methode kann genutzt werden, um nachhaltige Lösungen innerhalb der Biotechnologie zu entwickeln, etwa für Enzym-Bioreaktoren oder für den chemischen Abbau von Umweltgiften.

"Wir verwenden Software, um Milliarden von Jahren Evolution zu simulieren, und wir konnten tatsächlich ein wirksames Enzym entwickeln, das eine völlig neue Reaktion katalysieren kann. Das ist unglaublich aufregend", sagt Lynn Kamerlin, die das Forschungsteam an der Universität Uppsala leitet.

Enzyme haben die Fähigkeit, chemische Reaktionen von Jahrmillionen von Jahren auf Sekundenbruchteile zu katalysieren, d.h. zu beschleunigen, ohne selbst verbraucht zu werden. Außerdem sind sie biologisch abbaubar und haben einen minimalen Kohlenstoff-Fußabdruck. Die meisten Enzyme sind Katalysatoren für eine bestimmte chemische Reaktion, die eine wichtige Funktion in biologischen Prozessen, zum Beispiel in unserem Körper, erfüllt.

Innerhalb der Biotechnologie wird intensiv an der Entwicklung neuer Enzyme gearbeitet, die ungewöhnliche Reaktionen für die grüne Chemie, die nachhaltige Katalyse und den chemischen Abbau von Umweltgiften katalysieren können.

Das Forschungsteam der Universität Uppsala hat zusammen mit Kollegen an der Universidad de Granada in Spanien daran gearbeitet, die Enzyme der Vorfahren wieder auferstehen zu lassen, zunächst am Computer und dann im Labor. Die primitiven Enzyme haben viele Eigenschaften, die in der Biotechnologie wünschenswert sind. Sie können extremen Temperaturen standhalten und sind strukturell flexibler, so dass sie leichter modifiziert werden können als ihre modernen Äquivalente.

Den Forschern ist es gelungen, alte Antibiotika abbauende Enzyme wiederzuverwenden, um eine völlig neue, nicht-natürliche Reaktion zu katalysieren. Aber obwohl die wiederverwendeten Enzyme die Reaktion erheblich beschleunigten, war sie viel langsamer als die meisten natürlich vorkommenden Enzyme.

Um die Effizienz des Enzyms zu verbessern, verwendeten die Forscher daher leistungsstarke Computer, um zu berechnen, welche Änderungen in der Struktur zu einer schnelleren Reaktion führen würden. Sie verwendeten eine neue Methode namens FuncLib, die eine Kombination aus evolutionärer Information und Berechnungen der Proteinstabilität verwendet, um effektivere Enzymvarianten vorherzusagen.

Insgesamt 3.000 potenzielle neue Enzymvarianten wurden von FuncLib vorhergesagt, und die 20 vielversprechendsten davon wurden im Labor getestet. Von diesen waren vier viel schneller als das ursprüngliche Enzym. Die beste war genauso wirksam wie die durchschnittlichen modernen, natürlich vorkommenden Enzyme.

"Unsere Studie zeigt, dass es möglich ist, neue, wirksame Enzyme für eine nachhaltigere Zukunft zu entwerfen", sagt Lynn Kamerlin.

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