Chemiker schaffen neues künstliches Enzym

Enzyme sind die Kraftzentren der Natur. Sie befinden sich in den Zellen aller Tiere, Pflanzen und jedes anderen lebenden Organismus und beschleunigen die chemischen Reaktionen, die Tausende von biologischen Funktionen auslösen – von der Bildung von Neuronen bis zur Verdauung von Nahrung.

Sie führen ihre Arbeit so selektiv und schnell aus – millionenfach schneller als ein Wimpernschlag -, dass sich in den letzten Jahrzehnten das Gebiet der biomimetischen Chemie mit dem Ziel herausgebildet hat, künstliche Enzyme zu entwickeln, die die Kräfte natürlicher Enzyme in der Industrie imitieren können. Künstliche Enzyme könnten zum Beispiel Mais in Ethanol umwandeln oder helfen, neue Medikamente schneller, billiger und effektiver herzustellen.

Um diesem Ziel einen Schritt näher zu kommen, haben Rajeev Prabhakar, ein Computerchemiker an der Universität Miami, und seine Mitarbeiter an der Universität Michigan ein neuartiges, synthetisches, dreisträngiges Molekül geschaffen, das genau wie ein natürliches Metalloenzym oder ein Enzym, das Metallionen enthält, funktioniert.

„Es war nicht klar, dass sie hergestellt werden konnten, aber wir haben sie hergestellt. Und dann benutzten wir sie, um erfolgreich Reaktionen zu katalysieren“, sagte Prabhakar, ein Chemieprofessor, der Enzymreaktionen untersucht, in der Hoffnung, ihre künstlichen Analoga zu entwerfen. „Dies ist ein inkrementeller, aber wichtiger Schritt in der Entwicklung von künstlichen Enzymen, der lange Zeit als der heilige Gral der Chemie galt. So gut die natürlichen Enzyme in unserem Körper und anderen Lebensformen auch arbeiten, leider vertragen sie andere Einstellungen nicht sehr gut. Sie sind auch sehr teuer und nicht einfach herzustellen und zu reinigen.

Für ihre bahnbrechende Studie, die in Nature Chemistry veröffentlicht wurde, schlossen sich Prabhakar und der Doktorand Vindi M. Jayasinghe-Arachchige mit Vincent L. Pecoraro, einem Chemieprofessor der Universität Michigan, zusammen, um die Leistung der künstlichen Enzyme zu verbessern, die Pecoraros Labor im Laufe der Jahre als Pionierarbeit geleistet hat. Die Forscher aus Michigan hatten zuvor einfachere synthetische Metalloenzyme geschaffen, die erfolgreich eine Reihe von chemischen Reaktionen katalysierten. Aber diese künstlichen Makromoleküle waren mit drei identischen oder symmetrischen „homotrimeren“ Strängen konzipiert, was, so Prabhakar, ihre katalytischen Fähigkeiten einschränkte.

Bei dem neuen Molekül, das Jayasinghe-Arachchige auf dem Supercomputer der Universität Miami unter der Leitung von Prabhakar entworfen hat, unterscheidet sich der dritte Strang in seiner Struktur von den beiden anderen Strängen. Ihre quantenmechanischen Berechnungen zeigten, dass die komplexere, nicht symmetrische, dreisträngige Struktur, die als „heterotrimere“ Spule bekannt ist, die katalytische Leistung homotrimerischer künstlicher Metalloenzyme erweitert – eine Erkenntnis, die Pecoraro und sein Team mit Experimenten in seinem Labor in Michigan bestätigten.

„Unsere Techniken sind anders, aber komplementär“, sagte Prabhakar. „Was wir tun, kann die Pecoraro-Gruppe nicht tun, und was sie tun, können wir nicht tun. Wir modellieren Moleküle am Computer, so dass wir ihre strukturellen Eigenschaften und den Mechanismus ihrer Bildung vorhersagen können. Sie verwenden unsere Modelle, um die reale Sache zu bauen, und in diesem Fall ist das das erste Beispiel eines natürlichen heterotrimeren Moleküls.

Die meisten Laien würden die Studie wahrscheinlich ebenso unverständlich finden wie ihren Titel: „Heteromere dreisträngige gewickelte Spulen, die mit einer Pb(II)(Cys)3-Vorlagen vermittelten Strategie entworfen wurden“. Aber unter dem Strich, so Prabhakar, öffnet die in Miami und Michigan durchgeführte gemeinsame Forschung die Tür zu einer neuen Strategie, um die Schaffung künstlicher Enzyme zu erreichen, die genauso gut funktionieren wie natürliche Enzyme.

Neben Pecocaro, Prabhakar und Jayasinghe-Arachchige sind weitere Koautoren der Studie unter anderem Prabhakars ehemaliger Doktorand Thomas J. Paul, der jetzt an der Universität Michigan studiert, Audrey E. Tolbert, Catherine S. Ervin und Kosh P. Neupane, ebenfalls von der Universität Michigan, sowie Leela Ruckthong von der King Mongkut's University of Technology in Thailand.

In ihrem letzten Studienjahr für ihre Doktorarbeit in Chemie sagte Jayasinghe-Arachchige, sie sei nach wie vor fasziniert von den Fortschritten in der computergestützten Chemie, die es ihr ermöglichten, die chemischen Strukturen und Reaktionen des neuen Moleküls zu modellieren.

„Ich freue mich, dass unsere Erkenntnisse neue Wege zur Entwicklung effizienter künstlicher Enzyme schaffen werden, die zur Verbesserung der Lebensqualität eingesetzt werden können“, sagte Jayasinghe-Arachchige, „und als Frau in einem Bereich, in dem Frauen unterrepräsentiert sind, hoffe ich, dass diese Studie Frauen motivieren wird, sich der faszinierenden Welt der MINT-Felder anzuschließen.