Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

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

23.10.2015

Pflanzen, Pilze und Bakterien bieten ein fast unerschöpfliches Reservoir an biologisch aktiven Substanzen. Viele dieser Stoffe spielen eine wichtige gesundheitliche oder wirtschaftliche Rolle, weil sie als Antibiotika, Herbizide oder Insektizide genutzt werden können. Wie es der Natur gelingt, die Substanzen herzustellen, hat nun ein Forscherteam der Universität Regensburg um Prof. Dr. Reinhard Sterner, Prof. Dr. Rainer Merkl und Maximilian Plach vom Institut für Biophysik und physikalische Biochemie beleuchtet. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie – International Edition“ veröffentlich (DOI: 10.1002/anie.201505063).

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/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Neuer Mechanismus der Gen-Inaktivierung könnte vor Altern und Krebs schützen
23.02.2017 | Leibniz-Institut für Alternsforschung - Fritz-Lipmann-Institut e.V. (FLI)

nachricht Alge im Eismeer - Genom einer antarktischen Meeresalge entschlüsselt
23.02.2017 | Universität Konstanz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Im Focus: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2017

23.02.2017 | Veranstaltungen

Wie werden wir gesund alt? - Alternsforscher tagen auf interdisziplinärem Symposium in Magdeburg

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Heinz Maier-Leibnitz-Preise 2017: DFG und BMBF zeichnen vier Forscherinnen und sechs Forscher aus

23.02.2017 | Förderungen Preise

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor

23.02.2017 | Physik Astronomie