Studie enthüllt Geheimnis hinter Pflanzenbiochemie und Enzym-Steuerung
Forscher in Schweden und den Vereinigten Staaten haben erkannt, wie ein Enzym "weiß", wo eine Doppelbindung einzufügen ist, wenn pflanzliche Fettsäuren entsättigt werden sollen. Die Studie, die in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) vorgestellt wurde, setzt die Stücke eines 40-jährigen Puzzles zusammen, das sich mit der Frage beschäftigt, wie Enzyme eine solche standort-spezifische Steuerung ausüben. Diese Informationen können unser Verständnis dieses Mechanismus bereichern, der von einer einzigen Aminosäure abhängt, die sich weit von der aktiven Seite des Enzyms entfernt befindet. Die Wissenschaftler können von diesen Daten profitieren, um pflanzliche Öle als nachwachsender Ersatz für petrochemische zu verwenden. "Pflanzliche Fettsäuren haben einen jährlichen Marktwert von rund 150 Milliarden USD (110 Milliarden EUR)", erklärt Leitautor John Shanklin vom Brookhaven National Laboratory am US Department of Energy (DOE) in den Vereinigten Staaten. "Ihre Eigenschaften, und damit ihr möglicher Einsatz und Wert entstehen durch die Stellung der Doppelbindungen in den Kohlenwasserstoff-Ketten, aus denen ihre Gerüste bestehen. So würde die Fähigkeit, die Stellungen der Doppelbindung zu kontrollieren, es uns ermöglichen, neue Designer-Fettsäuren herzustellen, die als industrielle Rohstoffe genutzt werden könnten." Desaturasen, was Experten als Enzyme definieren, die für die Stellung der Doppelbindung verantwortlich sind, entfernen Wasserstoffatome und legen Doppelbindungen zwischen benachbarten C-Atomen an bestimmten Stellen auf den Kohlenwasserstoffketten an. Die große Frage ist jedoch, wie ein Enzym weiß, dass die Doppelbindung an einer bestimmten Stelle einzusetzen ist, während ein anderes und dennoch eng verwandtes Enzym eine Doppelbindung an einer anderen Stelle einfügt. Das Team von Brookhaven, das zusammen mit Wissenschaftlern des Karolinska Institutet in Schweden gearbeitet hat, liefert die Antwort. "Die meisten Enzyme erkennen Merkmale in den Molekülen, auf die sie wirken, die sehr nahe an der Stelle liegen, wo das Enzym angreift", so Dr. Shanklin. "Aber all die Kohlenstoff-Wasserstoff-Gruppen, aus denen Fettsäure-Gerüste bestehen, sind sich sehr ähnlich, ohne unterscheidende Merkmale - wie ein schmieriges Seil ohne Halt." Die Forscher untersuchten zwei Desaturasen, die genetisch ähnlich sind, aber an verschiedenen Stellen liegen: Eine Rizinus-Desaturase und eine Efeu-Desaturase. Den Forschern zufolge wäre es nicht schwer, die Unterschiede zwischen solchen Beispielen zu identifizieren. Allerdings waren die anfänglichen Erklärungsversuche nicht sehr erfolgreich. "Die Kristallstrukturen sind fast identisch", so Dr. Shanklin. Deshalb entschied sich das Team zu untersuchen, wie die beiden Enzyme ihre Substrate (Fettsäureketten an einem kleinen Träger-Protein) binden. Zunächst bewerteten sie die Kristallstruktur der Rhizinus-Desaturase, die an das Substrat gebunden ist. Danach verwendeten sie Computermodelle, um zu testen, wie das Träger-Protein an das Enzym "andockt". "Die Ergebnisse des rechnerischen Docking-Modells entsprachen genau der realen Kristallstruktur, die es den Kohlenstoffatomen 9 und 10 erlaubt, sich direkt auf der aktiven Seite des Enzyms zu positionieren", so der Brookhaven Forscher. Anschließend modellierten sie das Andocken des Carrier-Proteins der Efeu- Desaturase. Hier dockte es in einer anderen Ausrichtung an, wobei die Kohlenstoff-Atome an der aktiven Seite der Desaturation platziert wurden. "Damit hat das Docking-Modell eine andere Ausrichtung vorhergesagt, die genau diese Besonderheit erklären", betont er. "Es ist sehr befriedigend, dieses Geheimnis endlich gelöst zu haben. Dies wär ohne eine Teamleistung, die sich auf verschiedene Expertise in Biochemie, Genetik, Computermodellierung und Röntgenkristallographie stützt, nicht möglich gewesen", so Dr. Shankin. "Wenn wir das, was wir gelernt haben, nun einsetzen, können wir Enzyme mit neuen wünschenswerten Besonderheiten erschaffen, um neuartige Fettsäuren in Pflanzen zu produzieren. Diese neuartigen Fettsäuren wären ein nachwachsender Rohstoff, um die Rohstoffe zu ersetzen, die jetzt aus Erdöl für die Herstellung industrieller Produkte wie Kunststoffe hergestellt werden. "Weitere Informationen finden Sie unter: PNAS: http://www.pnas.org/ DOE / Brookhaven National Laboratory: http://www.bnl.gov/world/ Karolinska Institutet: http://ki.se/ki/jsp/polopoly.jsp;? jsessionid = a_uHGIlPWe78v42Vjk l = de & d = 130
Länder
Schweden, Vereinigte Staaten