Basler Chemiker schaffen erstes künstliches Metalloenzym
Chemiker der Universität Basel haben durch die Kombination von chemisch und genetisch modifizierten Bausteinen ein künstliches Enzym geschaffen, das eine synthetisch wertvolle chemische Reaktion in guten Ausbeuten und mit hoher Selektivität katalysiert. Dank dieser Eigenschaft kann das Enzym als Katalysator bei der Synthese wichtiger Strukturelemente verwendet werden.
Wie in einem Handschuh ist das katalytisch aktive metallorganische Fragment (Molekülmodell) in die dreidimensionale Struktur des Wirtsproteins Streptavidin eingebettet.
Illustration: Universität Basel
An einer katalytischen Reaktion ist neben den Reaktanden ein weiterer Stoff, der Katalysator, beteiligt, der die Reaktion beschleunigt und nach deren Ablauf unverbraucht daraus hervorgeht. In lebenden Zellen kommt diese Aufgabe Enzymen zu – von der Natur geschaffene, komplexe Katalysatoren – welche die biochemischen Prozesse in Lebewesen ermöglichen. Dem Chemiker Prof. Thomas Ward und seinem Team von der Universität Basel ist es nun erstmals gelungen, ein künstliches Metalloenzym zu synthetisieren.
Metalloenzyme – Hybride aus Proteinen und Metallkomplexen
Dank genetischer Verfahren können heute Enzyme so modifiziert werden, dass sie sich als nützliche Werkzeuge in der chemischen Synthese etabliert haben. Dennoch bleibt der Aufbau eines künstlichen Enzyms auf der Basis eines katalytisch nicht aktiven Gerüsts eine grosse Herausforderung für Chemiker, da nach wie vor nicht verstanden ist, wie die dreidimensionale Struktur eines Proteins seine katalytische Funktion beeinflusst.
Die Chemiker um Thomas Ward generierten ein künstliches Metalloenzym, ein Hybrid aus Protein und Metallkomplex. Dazu bauten sie ein künstliches, katalytisch aktives Metallfragment in ein Proteingerüst ein, das eine geeignete dreidimensionale Struktur aufweist. Als Wirtsprotein diente den Forschenden der Streptavidin-Biotin-Komplex, als Metallfragment ein an Biotin gebundener Rhodiumkomplex. Das künstliche Metalloenzym katalysierte zwar die beabsichtigte Reaktion, jedoch nur in geringer Ausbeute. Durch den Austausch zweier Aminosäuren im Streptavidinteil gelang es den Chemikern, die ursprüngliche Reaktion mit hoher Ausbeute auf das nahezu 100-Fache zu beschleunigen. Zudem erfolgte die Umsetzung – anders als die rein chemisch katalysierte Reaktion – mit hoher Selektivität bezüglich der theoretisch möglichen Produkte.
Künstliche Enzyme mit Anwenderpotential
Enzyme sind den von Chemikern synthetisierten metallorganischen Katalysatoren in mancher Hinsicht überlegen, da sie spezifischer und präziser arbeiten. Die Entwicklung künstlicher Enzyme hat daher grosses Potenzial für Anwendungen in der chemischen Synthese und der synthetischen Biologie. Chemisch betrachtet handelt es sich bei Enzymen um Proteine, Makromoleküle, die aus vielen Aminosäuren bestehen und oft ein Metallion im aktiven Zentrum haben. Bei Katalysatoren, die in der synthetischen Chemie eingesetzt werden, handelt es sich hingegen meist um weniger komplexe chemische Verbindungen. Durch die Kombination von chemisch und genetisch modifizierten Bausteinen konnten die Basler Wissenschaftler ein Enzym generieren, das so in der Natur nicht vorkommt und ein Reaktionsvermögen zeigt, das mit den Einzelkomponenten alleine nicht erzielt werden kann.
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