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Nachrichten und Pressemeldungen aus Labor und Analytik

06.12.2007

Wie genau funktionieren eigentlich Enzyme?


Einem internationalen Forscherteam der Universität Halle-Wittenberg und der beiden US-amerikanischen Universitäten Harvard und Brandeis bei Boston ist es jetzt erstmals gelungen, intrinsische - also "aus sich selbst hervorgebrachte" - Bewegungen eines Enzyms direkt nachzuweisen. Enzyme sind als biologische Katalysatoren an allen Stoffwechselvorgängen im Körper beteiligt; fehlen sie oder funktionieren sie nicht richtig, können schwere Stoffwechselerkrankungen die Folge sein. Enzyme spielen zudem eine immer wichtigere Rolle in industriellen Prozessen: von der Reinigung über den Abbau von Schadstoffen bis hin zur Herstellung von Biokraftstoffen. Nicht zuletzt deshalb ist die Untersuchung der Arbeitsweise von Enzymen Gegenstand intensiver Forschung.

Enzyme gehören zu den Eiweißen (Proteinen); ihre Wirkungsweise ist eng verknüpft mit ihrer Struktur. Diese Struktur ist jedoch nicht starr, und gerade Änderungen darin (sogenannte Konformationsänderungen) sind es, die für das spezifische Funktionieren eines Proteins entscheidend sind. Bisher gingen Wissenschaftler davon aus, dass solche Konformationsänderungen stets durch (bio)chemische Prozesse ausgelöst werden - etwa durch die Bindung eines Substrats. Die Forschergruppe um Professor Dr. Christian Hübner von der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (er lehrt und forscht inzwischen an der Universität Lübeck), Professorin Dr. Dorothee Kern und Professor Dr. Greg Petsko von der Brandeis-Universität sowie Professor Dr. Martin Karplus von der Harvard University konnte nun mit Hilfe verschiedener Techniken erstmals nachweisen, dass diese Konformationsänderungen auch spontan ablaufen können. Die Ergebnisse ihrer Forschungsarbeiten wurden jetzt im renommierten Wissenschaftsjournal Nature veröffentlicht (Nature Band 450, Nummer 7171 vom 6. Dezember 2007).

In ihrer Arbeit untersuchten die Forscher die Adenylatkinase: ein Enzym, das notwendig ist für die Aufrechterhaltung der ATP-Konzentration und damit der "Energiewährung" in unserem Körper. Die Wissenschaftler nutzten Kernspinresonanzspektroskopie und Röntgenkristallographie sowie Moleküldynamiksimulation für ihre Experimente und erhielten so bereits erste Hinweise für die von ihnen vermutete Art der Bewegung. "Diesen Methoden haftet jedoch der Nachteil an, dass immer eine große Zahl von Enzymen gleichzeitig beobachtet wird - und die vollführen natürlich keine synchronen Bewegungen", erläutert Christian Hübner.

Der entscheidende Schachzug nun war der Einsatz einer neuen Fluoreszenzmethode: der Einzelmolekül-Fluoreszenzspektroskopie. Mit ihrer Hilfe konnte die Gruppe um Christian Hübner - deren Forschungen von der Volkswagenstiftung mit rund 267.000 Euro unterstützt wurden - die Bewegung sichtbar machen. Der bedeutende Vorteil dieser Methode ist, dass das einzelne Enzym sich direkt beobachten und sich damit die Konformationsänderung unmittelbar verfolgen lässt.

Ein weiterer Trick, um die Faltung des Enzyms und die Dynamik bei der Katalyse-Reaktion gezielt zu beeinflussen und gleichzeitig die Beobachtungsdauer zu verlängern, ist der Einschluss einzelner Modell-Proteine in Nanoporen aus beschichteten porösen Aluminiumoxid-Membranen. Aufbauend auf den jetzt veröffentlichten Arbeiten wird diese Methode in einem Projekt von drei Hallenser Wissenschaftlern angewendet; neben Professor Christian Hübner beteiligt sind Dr. Cordelia Schiene-Fischer von der Max-Planck-Forschungsstelle für Enzymologie der Proteinfaltung und Dr. Martin Steinhart vom Max-Planck-Institut für Strukturphysik. Dies neue Vorhaben fördert die VolkswagenStiftung mit 500.000 Euro.

Das Auftreten spontaner Formänderungen war zwar zuvor vermutet worden, konnte jedoch jetzt erstmals experimentell von Wissenschaftlern nachgewiesen werden. Dieser Nachweis ist von fundamentaler Bedeutung für unser Verständnis der Funktionsweise von Enzymen. "Das Wissen könnte nun unter anderem helfen, mittels genetischer Methoden die Funktion von Enzymen für industrielle Anwendungen zu optimieren, um zum Beispiel Bioethanol als nachwachsenden Treibstoff effizienter zu produzieren", zieht Hübner ein erstes Fazit seiner Arbeiten.

Quelle: idw/Volkswagen Stiftung




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