Durchbruch für maßgeschneidertes Enzymdesign
Enzyme gelten als Schlüssel für nachhaltige Chemie. Trotz großer Fortschritte im Protein Design war es bisher jedoch schwer, künstliche Enzyme von Grund auf zu entwerfen. Ein Forschungsteam der Universität Bayreuth hat in Zusammenarbeit mit Forschenden der University of Ottawa nun gezeigt, wie sich funktionslose Proteingerüste in hochaktive Enzyme verwandeln lassen. Über ihre Erkenntnisse berichten die Forschenden im renommierten Fachjournal Nature Chemical Biology.
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Bereits seit Jahren wird an künstlich entworfenen Proteinen und Enzymen geforscht, um diese in der Biotechnologie oder chemischen Industrie einzusetzen. Stabile Proteine lassen sich immer besser am Computer entwerfen, aber das Design neuer aktiver Enzyme ist weiterhin herausfordernd. Häufig kann zwar die Struktur nachgebaut werden, jedoch sind die Proteine nicht funktional. Das Hervorbringen eines computergestützt designten und aktiven Enzyms in der Bayreuther Studie zeigt, dass vorher funktionslose Proteine als Gerüst für die Konstruktion völlig neuer Enzyme dienen können. Der neu erarbeitete Workflow kann es dabei ermöglichen, Enzyme modular für nahezu jede gewünschte Reaktion anzupassen, was neue Möglichkeiten in der Biotechnologie und grünen Chemie eröffnet.
Enzyme sind biologische Katalysatoren, die Reaktionen beschleunigen und hoch spezifisch ausführen. Meist handelt es sich bei Enzymen um Proteine. Im Laufe der Zeit hat die Evolution eine Vielzahl von Proteinfaltungen für Enzyme hervorgebracht: Bei der Bildung eines Proteins entsteht zunächst eine lange Kette aus Aminosäuren, die sich anschließend in eine definierte dreidimensionale Struktur faltet. Genau diese Struktur bestimmt, wie das Enzym arbeitet. Eine herausragende Rolle nimmt die sogenannte TIM-Barrel Faltung ein. Sie kommt in etwa 10 % aller bekannten Enzyme vor und ist in der Lage, nahezu alle Reaktionstypen zu unterstützen.
Zwar konnten bereits künstliche TIM-Barrel am Computer entworfen und experimentell bestätigt werden, doch diese sogenannten de novo Proteine besaßen im Gegensatz zu ihren natürlichen Vorbildern keinerlei enzymatische Aktivität, sondern wiesen lediglich die gleiche Struktur auf. Damit waren die Proteine für den Einsatz in biologischen Reaktionen unbrauchbar. Dieses Problems hat sich ein Forschungsteam um Prof. Dr. Birte Höcker, Lehrstuhl für Biochemie III der Universität Bayreuth, gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Roberto Chica der University of Ottawa angenommen. In einem neuen Workflow namens CANVAS haben die Forschenden die funktionslosen Gerüste in aktive Enzyme verwandelt.
„In unserer Studie haben wir verschiedene computerbasierte Methoden kombiniert. So ist es uns gelungen, die künstlichen TIM-Barrels gezielt um eine maßgeschneiderte aktive Tasche zu erweitern“, sagt Dr. Julian Beck, Erstautor der Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Biochemie III der Universität Bayreuth. Diese neu eingefügte Tasche verleiht den vorher funktionslosen Enzymen eine außergewöhnliche hohe messbare Aktivität.
„Als Testreaktion für die neuen Enzyme haben wir die Kemp-Eliminierung gewählt, eine klassische nicht-natürliche Reaktion im Proteindesign, die einfach zu messen ist“, sagt Höcker. Bereits in der ersten Designrunde erreichten die Forschenden mit dem designten Enzym KempTIM1 eine ausgesprochen hohe Aktivität: Die katalytische Effizienz, die beschreibt, wie „gut“ ein Enzym ist, war für KempTIM1 ohne weitere experimentelle Optimierungen bereits siebenmal besser als vergleichbare Enzyme anderer aktueller Publikationen. Anschließende Optimierungsschritte haben eine neue Variante namens KempTIM4b hervorgebracht, welche die Aktivität von KempTIM1 sogar noch überschreitet.
„Insgesamt zeigt unsere Forschungsarbeit, dass es möglich ist, de novo Proteine als Ausgangspunkt für neue Enzyme zu verwenden und somit das vorhandene Repertoire an verfügbaren Enzymen zu erweitern. Damit werden neue Möglichkeiten in der Biotechnologie und grünen Chemie eröffnet, indem für beabsichtigte Reaktionen neue maßgeschneiderte Proteine designt werden“, so Beck.
Originalpublikation: Customizing the structure of minimal TIM barrels to craft efficient de novo enzymes. Julian Beck, Benjamin J. Smith, Mark Kriegel, Niayesh Zarifi, Emily Frend, Ahana G. Harsha, Jan Hartmann, Roberto A. Chica & Birte Höcker. Nature Chemical Biology (2026)
