Biotechnologie: Enzym setzt durch Licht neuartige Reaktion in Gang

Enzyme – in jeder lebenden Zelle sind sie die zentralen Antreiber für biochemische Stoffwechselprozesse und machen dort Reaktionen möglich. Genau diese Fähigkeit ist es, die sie auch als Katalysatoren in der Biotechnologie verwendbar macht, um zum Beispiel chemische Produkte wie Arzneimittel herzustellen.

Eines der intensiv diskutierten Zukunftsthemen ist derzeit die lichtbasierte Katalyse, bei der sich Forscher die Fähigkeit der Natur zunutze machen, biochemische Reaktionen mithilfe von Licht zu starten oder anzutreiben.

Was sie dafür benötigen, sind Enzyme, die durch Licht „eingeschaltet“ werden können. Allerdings ist es nicht einfach, die in der Natur vorkommenden lichtaktiven Enzyme in biotechnologische Prozesse einzubinden, da sie sehr spezialisiert und schwer zu verändern sind.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) und der Universität Pavia haben jetzt ein Enzym identifiziert, das durch die Beleuchtung mit blauem Licht katalytisch aktiv wird und unmittelbar eine Reaktion in Gang setzt, die in der Enzymatik bisher unbekannt war.

Es handelt sich um eine spezielle Monooxygenase-Reaktion, bei der ein Sauerstoffatom auf den Ausgangsstoff übertragen wird. Für den Prozess ist ein „Hilfsmolekül“ nötig, das schrittweise zwei Elektronen einführt. Bisher hatte man angenommen, dass eine solche lichtabhängige Reaktion in Enzymen nicht vorkommen kann.

„Das von uns identifizierte Enzym ist Teil einer sehr großen Enzymfamilie, und es ist möglich, dass sich durch genetische Manipulationen weitere lichtschaltbare Enzyme erzeugen lassen, die in unterschiedlichen Anwendungen einsetzbar wären“, betont Studienleiter Dr. Steffen L. Drees vom Institut für Molekulare Mikrobiologie und Biotechnologie der WWU. Eine mögliche Anwendung liegt zum Beispiel in der Medizin, wenn es darum geht, Wirkstoffe mithilfe von Licht zu aktivieren. Die Studie ist in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ erschienen.

Hintergrund und Methode:

In ihrer Studie sahen sich die Wissenschaftler das Enzym PqsL an, das im Bakterium Pseudomonas aeruginosa vorkommt und ursprünglich in Reaktionen involviert ist, die nicht lichtabhängig sind. Die Forscher regten das Enzym mit blauem Licht an und analysierten die Reaktion unter anderem mithilfe einer Kombination aus zeitaufgelösten, spektroskopischen Methoden und der Röntgenstrukturanalyse.

Das untersuchte Enzym gehört zur Familie der Flavoproteine und besitzt – typisch für diese Proteinfamilie – einen mit dem Vitamin B2 verwandten sogenannten Cofaktor, um den Einbau von Sauerstoff in organische Moleküle zu katalysieren. Das Cosubstrat NADH (reduziertes Nicotinamidadenindinukleotid) wird dabei als „Hilfsmolekül“ für die enzymatische Reaktion benötigt und liefert die notwendigen Elektronen.

Der Reaktionsmechanismus, den die Forscher in ihrer Studie beobachteten, ist jedoch neu und bisher einzigartig: Aktiviert durch das einstrahlende Licht im Flavin-NADH-Komplex überträgt NADH ein einzelnes Elektron auf das proteingebundene Flavin. So entsteht ein Flavinradikal – ein reaktionsfreudiges Molekül, das sich durch ein ungepaartes Elektron auszeichnet. Die Wissenschaftler beobachteten, wie sich das Molekül bildete und seinen Zustand veränderte.

Das Flavinradikal besitzt ein sehr negatives Redoxpotential – was bedeutet, dass es ein großes Vermögen hat, Elektronen auf Reaktionspartner zu übertragen. „Aufgrund dieser Eigenschaft vermuten wir, dass auch zusätzliche Reaktionen möglich wären, die das katalytische Potenzial des Enzyms und möglicherweise auch weiterer Flavin-abhängiger Enzyme erweitern“, betont Prof. Dr. Susanne Fetzner, Leiterin der WWU-Forschergruppe.

Das identifizierte Enzym ist bisher das einzige, das nicht natürlicherweise fotoaktiv ist und eine lichtunabhängige Reaktion in einer Bakterienzelle durchführt. „Die dreidimensionale Struktur des Enzyms zeigt, dass der nach außen gerichtete Flavin-Cofaktor möglicherweise der Schlüssel zur Fotoaktivierung ist“, erklärt Erstautor Simon Ernst.

Fotoaktive Enzyme ermöglichen viele Anwendungen, zum Beispiel mehrschrittige Katalysen in einem Reaktionsgefäß oder ortsaufgelöste Katalysen, um Oberflächen in bestimmten Mustern zu funktionalisieren. Darüber hinaus können sie für die sogenannte Prodrug-Aktivierung im Körper oder auf der Haut relevant sein – ein Verfahren, bei dem ein pharmakologischer Stoff erst durch die Verstoffwechselung im Organismus aktiv wird.

Förderung:

Die Studie erhielt finanzielle Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, das italienische Ministerium für Unterricht, Universitäten und Forschung (MIUR) und die Europäische Union im Rahmen des „Horizon 2020“-Programms.

Dr. Steffen L. Drees (Universität Münster)
Tel: +49 251 83-38 364
s.drees@uni-muenster.de

S. Ernst et al. (2020): Photoinduced monooxygenation involving NAD(P)H-FAD sequential single-electron transfer. Nature Communications; DOI: 10.1038/s41467-020-16450-y

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16450-y Originalpublikation in “Nature Communications”

https://www.uni-muenster.de/Biologie.IMMB.Fetzner/index.html Forschergruppe Prof. Susanne Fetzner an der WWU