Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Geringer Aufwand, große Wirkung – Forscher bieten neue Blicke auf die Evolution von Enzymen

nächste Meldung

Für die meisten Stoffwechselvorgänge in der Natur sind Biokatalysatoren bzw. Enzyme notwendig. Für die Synthese von komplexen Komponenten – beispielsweise einem Antibiotikum oder einem Energiebaustein – müssen sogar mehrere Enzymreaktionen im Rahmen eines Stoffwechselweges verknüpft werden.

Zwei kleine Veränderungen (gelbe Sterne) im Zugangskanal zum Zentrum der Anthranilatsynthase bewirken, dass das Enzym nicht nur Ammoniak (blau), sondern auch Wasser (rot) nutzen kann.

Foto: Maximilian Plach – Zur ausschließlichen Verwendung im Rahmen der Berichterstattung zu dieser Pressemitteilung.

Stoffwechselwege lassen sich dabei in zwei Klassen einteilen. Solche, die für einen lebenden Organismus unverzichtbar sind, bilden zusammen den primären Stoffwechsel. Dazu zählen der Abbau von Nahrung, die Bereitstellung von Energie oder der Aufbau von Zellbestandteilen.

Die Reaktionen, die für den Organismus nicht lebensnotwendig sind, bilden den sekundären Stoffwechsel. Dessen Endprodukte sind unter anderem Substanzen wie Antibiotika, die in die Umwelt abgegeben werden, um beispielsweise Nahrungskonkurrenten auszuschalten.

Gängige Forschungsmeinung ist, dass die Enzyme des sekundären Stoffwechsels im Laufe der Evolution aus jenen des primären Stoffwechsels entstanden sind. Genduplikationen dieser Art kommen in der Natur häufig vor, wobei nicht selten auch Kopien primärer Enzyme entstehen. So ging man bislang davon aus, dass sich durch – auf natürlichem Wege – anhäufende Mutationen in einer Kopie eine neue Enzymfunktion ausbilden kann, die dann im günstigsten Fall im sekundären Stoffwechsel Verwendung findet.

Den Regensburger Forschern ist es nun gelungen, einen anderen Weg zur Synthese von Enzymen des sekundären Stoffwechsels aufzuzeigen. Dazu verglichen die Wissenschaftler ein Enzym aus dem Primärstoffwechsel (Anthranilat-Synthase) mit einem Enzym aus dem Sekundärstoffwechsel (Isochorismat-Synthase) mit bioinformatischen Verfahren am Computer.

Beide Enzyme ähneln sich stark in ihrer Struktur. Allerdings nutzt die Anthranilat-Synthase Ammoniak für die Bildung der Carbonsäure Anthranilat. Die Isochorismat-Synthase greift hingegen auf Wasser zur Bildung von Isochorismat zurück, das wiederum für die Synthese von Enterobactin, einer eisenbindenden Verbindung, benötigt wird.

Auf der Grundlage ihrer bioinformatischen Analysen erzeugten die Forscher um Sterner, Merkl und Plach gezielt eine Anthranilat-Synthase, die Wasser als Reaktionsbestandteil nutzen kann. Zur Überraschung der Wissenschaftler war es dazu lediglich nötig, zwei der über 500 Aminosäuren des Enzyms zu verändern. Darüber hinaus erstaunlich: Die künstlich hergestellte Anthranilat-Synthase war immer noch in der Lage, auch Ammoniak als Reaktionsbestandteil zu nutzen.

Die Regensburger Forscher folgern daraus, dass für die Entstehung des Enzyms Isochorismat-Synthase im Laufe der Evolution zunächst einmal keine Verdopplung der Erbinformation der Anthranilat-Synthase notwendig war. Vielmehr könnte eine Anthranilat-Synthase mit zwei Funktionen – so wie das vom Regensburger Team künstlich erzeugte Enzym – für einen Organismus der wesentlich sparsamere und effizientere Zugang zu auf Isochorismat basierenden Molekülen des sekundären Stoffwechsels gewesen sein.

Diese Beobachtungen haben Konsequenzen für unser Verständnis, wie die Natur mit dem verfügbaren Bausatz an Proteinen und Enzymen immer neue biologisch aktive Moleküle entwickeln kann und entwickelt hat.

Der Originalartikel im Internet unter:
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201505063/full

Ansprechpartner für Medienvertreter:
Prof. Dr. Reinhard Sterner
Universität Regensburg
Lehrstuhl für Biochemie
Tel.: 0941 943-3015
Reinhard.Sterner@biologie.uni-regensburg.de

Prof. Dr. Rainer Merkl
Universität Regensburg
Am Lehrstuhl für Biochemie
Tel.: 0941 943-3086
Rainer.Merkl@biologie.uni-regensburg.de

Alexander Schlaak | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-regensburg.de/

nächste Meldung

Im Focus: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...

Im Focus: Molecules Brilliantly Illuminated

Physicists at the Laboratory for Attosecond Physics, which is jointly run by Ludwig-Maximilians-Universität and the Max Planck Institute of Quantum Optics, have developed a high-power laser system that generates ultrashort pulses of light covering a large share of the mid-infrared spectrum. The researchers envisage a wide range of applications for the technology – in the early diagnosis of cancer, for instance.

Molecules are the building blocks of life. Like all other organisms, we are made of them. They control our biorhythm, and they can also reflect our state of...

Im Focus: Metalle verbinden ohne Schweißen

Kieler Prototyp für neue Verbindungstechnik wird auf Hannover Messe präsentiert

Schweißen ist noch immer die Standardtechnik, um Metalle miteinander zu verbinden. Doch das aufwändige Verfahren unter hohen Temperaturen ist nicht überall...

Im Focus: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...