Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neutronen helfen, zentrale Enzymfunktion aufzuklären: Effektivere Nutzung von Biomasse

02.11.2015

Meist erfordert die Gewinnung von Energie oder Wertstoffen aus Pflanzen viele Verfahrensschritte und aggressive Chemikalien. Um diese Prozesse effizienter und ressourcenschonender zu gestalten, suchen Forscher geeignete Enzyme. Mit Hilfe von Neutronen haben nun Wissenschaftler den Wirkungsmechanismus der Enzymklasse der Glycosidasen untersucht. Die Messungen wurden an den Neutronenquellen in Los Alamos und Oak Ridge (USA) sowie an der Forschungs-Neutronenquelle der Technischen Universität München (TUM) durchgeführt. Die Ergebnisse sind ein Schlüssel dazu, die großtechnische Verarbeitung von Biomasse zu verbessern.

Möchte man aus Biomasse Kunststoffe, chemische Zwischenprodukte oder Biokraftstoffe, herstellen, so muss zuerst die Hemicellulose, ein in Pflanzenzellwänden reichlich vorhandenes, großes Vielfachzuckermolekül, zu einfachen Zuckern abgebaut werden. Gegenüber der unkatalysierten Reaktion in neutraler Lösung beschleunigen Enzyme wie die Glykosidasen die Abbaureaktion um bis zu 18 Zehnerpotenzen.


Glykosidasekristall (links), mit seinem Beugungsbild, wie es bei der Neutronenstreuung am Instrument BioDiff entsteht.

Bild: TUM

Die Biomasse wird typischer Weise in sehr alkalischem Milieu vorbehandelt. Ihre maximale Aktivität entwickeln die natürlichen Enzyme jedoch in einer leicht sauren Umgebung. Ein wichtiges Forschungsziel ist deshalb, diese Enzyme so zu verändern, dass sie auch in alkalischem Milieu effektiv arbeiten.

Dazu ist es aber nötig, den Ablauf der Reaktionen am Enzym, insbesondere die genaue Position aller Wasserstoffatome im aktiven Zentrum eines Enzyms vor, während und nach der chemischen Reaktion im Detail zu kennen. Dieses Wissen fehlte bisher aber.

Detektivarbeit mit Neutronen

Im Rahmen eines internationalen Kooperationsprojekts bestimmte nun ein Forscherteam um Andrey Kovalevsky, Wissenschaftler am Oak Ridge National Laboratory, die Struktur einer Glycosidase mit bisher unerreichter Genauigkeit. Eine der drei im Projekt genutzten Neutronenquellen war die Forschungs-Neutronenquelle (FRM II) der TU München.

„Im Gegensatz zur Röntgenstrukturanalyse ist die Neutronenstreuung die Methode der Wahl um die Positionen von Wasserstoffatomen im aktiven Zentrum von Enzymen zu bestimmen", sagt TUM-Biologe Andreas Ostermann, der zusammen mit seinem Kollegen Tobias Schrader vom Forschungszentrum Jülich in Garching das Instrument BioDiff betreibt.

Mit Hilfe der Streuung von Neutronen an Kristallen des Enzyms analysierten die Wissenschaftler die Struktur der Glykosidase. Sie untersuchten es bei verschiedenen pH-Werten und im Komplex mit einem Substratmolekül. Die aus den Neutronenstreu-Experimenten gewonnenen Erkenntnisse wurden anschließend mit computergestützten Simulationen der Moleküldynamik weiter verfeinert.

Geschickte Wendung

In ihrer Arbeit entdeckten sie so, dass der entscheidende Schritt von der Positionierung einer bestimmten Aminosäure-Seitenkette abhängt. Diese Seitenkette enthält einen Glutaminsäurerest. Dreht sie sich nach unten und weg vom Substrat, kann die Glutaminsäure ein Proton von einem Wassermolekül übernehmen. Dreht sich die Kette nach oben, verstärkt dies die Säurewirkung, und das Proton wird auf das Substrat übertragen.

Der leitende Autor der Publikation, Andrey Kovalevsky, ist sehr zufrieden mit dem Erfolg der Experimente: „Niemand hat jemals Wasserstoffatome in einer Glykosidase beobachtet und direkt gesehen, wie der katalytische Glutaminsäurerest protoniert wird.“ Mit diesem Wissen kann man nun daran gehen, das Enzym so zu verändern, dass der Biomasseabbau auch bei hohem pH-Wert effektiv funktioniert.

Die Forschungsarbeiten wurden gefördert durch das Oak Ridge National Laboratory (ORNL), das Office of Basic Energy Sciences und das Office of Biological and Environmental Research (BER) des US Department of Energy (DOE), das chinesische Bildungsministerium und den Innovation Fund der Yangzhou University. Die Messungen wurden am Instrument BioDiff des Heinz Maier-Leibnitz Zentrums (MLZ) an der Forschungs-Neutronenquelle (FRM II) in Garching sowie an Instrumenten der Neutronenquellen in Los Alamos und Oak Ridge und der Advanced Photon Source des Argonne National Laboratory in den USA durchgeführt. Darüber hinaus waren Wissenschaftler der Nanjing Agricultural University und der Universität von Toledo an dem Projekt beteiligt.

Publikation:

Q. Wan, J. M. Parks, B. L. Hanson, S. Z. Fisher, A. Ostermann, T. E. Schrader, D. E. Graham, L. Coates, P. Langan, and A. Kovalevsky; Direct determination of protonation states and visualization of hydrogen bonding in a glycoside hydrolase with neutron crystallography, PNAS 112, 12384 (2015) – DOI: 10.1073/pnas.1504986112

Weitere Informationen:

http://www.pnas.org/content/112/40/12384.abstract

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München
Weitere Informationen:
http://www.tum.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Aus-Schalter für Nebenwirkungen
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Biochemie

nachricht Ein Fall von „Kiss and Tell“: Chromosomales Kissing wird fassbarer
22.06.2018 | Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft

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: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Neueste Entwicklungen in Forschung und Technik

25.06.2018 | Veranstaltungen

Wheat Initiative holt Weizenforscher aus aller Welt an einen Tisch

25.06.2018 | Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Schnelle Wasserbildung in diffusen interstellaren Wolken

25.06.2018 | Physik Astronomie

Gleisgenaue Positionsbestimmung für automatisierte Bahnanwendungen

25.06.2018 | Informationstechnologie

Neueste Entwicklungen in Forschung und Technik

25.06.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics