Eine Enzym-Reaktion in Zeitlupe

Enzyme sind die Biokatalysatoren der Zelle. Sie beschleunigen chemische Reaktionen um ein Vielfaches und sind die Grundlage f¨¹r alle Stoffwechselvorg?nge im K?rper. Ein prominentes Beispiel ist die Alkohol-Dehydrogenase, die dem Abbau von Blutalkohol dient.
Damit sie richtig funktionieren, ben?tigen viele Enzyme Hilfsmolek¨¹le, sogenannte Cofaktoren. Zu den wichtigsten Enzym-Cofaktoren z?hlen dabei die Nikotinamid-Nukleotide, die sich von Niacin ¨C besser bekannt als Vitamin B3 ¨C ableiten. Neben der Alkohol-Dehydrogenase verwenden fast 20 Prozent aller Enzyme in der Biologie einen Nikotinamid-Cofaktor bei der Katalyse. ETH-Forschenden ist es nun gelungen, ein Enzym und seinen Nikotinamid-Cofaktor in einer bislang unerreichten Detailgenauigkeit zu studieren. Damit ?ffnen sich neue Wege in der Enzymforschung und Entwicklung von Medikamenten.

Anatomie einer enzymatischen Reaktion

Obwohl der Nikotinamid-Cofaktor schon vor mehr als hundert Jahren entdeckt wurde, sind viele Details seiner Wirkweise noch unklar. Einem Team um Tobias Erb am Institut f¨¹r Mikrobiologie der ETH Z¨¹rich gelang es nun zum ersten Mal, die Reaktion eines Nikotinamid-abh?ngigen Enzyms in Einzelschritten zu verfolgen. Dazu versetzten sie den Reaktionszyklus des Enzyms, der Crotonyl-CoA Carboxylase/Reduktase, k¨¹nstlich in Zeitlupe.

?Gerade die Tatsache, dass Enzyme so unglaublich effizient darin sind, chemische Reaktionen zu beschleunigen, macht es schwer, die Vorg?nge w?hrend der Katalyse im Detail zu verstehen?, sagt Raoul Rosenthal, Doktorand am Institut f¨¹r Mikrobiologie und Erstautor der Studie. Umso aufregender sei es, mit Hilfe ihres Ansatzes einzelne Vorg?nge im Enzym beobachten zu k?nnen.

Zun?chst bremste das Team von Erb durch Abk¨¹hlen die Reaktivit?t des Enzyms, um die Reaktion besser studieren zu k?nnen. Mittels hochaufl?sender Massenspektrometrie im Labor von ETH-Professorin Julia Vorholt erlangten die Forschenden erste Einblicke in den schrittweisen Verlauf der Reaktion. In Zusammenarbeit mit Marc-Olivier Ebert, Mitarbeiter im Labor f¨¹r Organische Chemie, gelang es Erbs Team schliesslich, die verlangsamte Reaktion mit Kernresonanz-Spektroskopie in Echtzeit zu verfolgen. Dabei konnten sie einzelne Zwischenprodukte bei der Katalyse nachweisen und diese f¨¹r weitergehende Studien aus dem Enzym isolieren. Die Ergebnisse dieser Experimente wurden soeben im Fachblatt Nature Chemical Biology ver?ffentlicht.

Vom Verst?ndnis zur Anwendung

Nur f¨¹r einige ausgew?hlte Modell-Enzyme ist bisher im Detail verstanden, wie sie ihre unglaubliche Leistung vollbringen und chemische Reaktionen mehr als tausendfach beschleunigen k?nnen. F¨¹r Nikotinamid-abh?ngige Enzyme wurde bereits vor f¨¹nfzig Jahren spekuliert, dass ihre Reaktionen in definierten Einzelschritten ablaufen k?nnten ¨C diese alte Hypothese konnte aber aufgrund mangelnder Beweise bisher nicht belegt werden. ?Unsere Experimente liefern zum ersten Mal konkrete Argumente f¨¹r diese alten Ideen und lassen vermuten, dass viele Nikotinamid-Enzyme anders funktionieren, als bislang angenommen wurde?, sagt Erb. Die M?glichkeit, Zwischenprodukte aus dem Enzym zu isolieren, er?ffne ausserdem neue Wege in der Enzymforschung.

Mit Hilfe dieser isolierten Zwischenprodukte wird es k¨¹nftig m?glich, direkt in den Reaktionszyklus von Nikotinamid-abh?ngigen Enzymen einzugreifen, um diese studieren und manipulieren zu k?nnen. Dabei dienen die Zwischenprodukte als molekulare Sonden, die Forschenden helfen zu verstehen, wie das Wechselspiel von Enzymen und Cofaktoren hoch-effiziente Reaktionen erm?glicht. In abgewandelter Form k?nnten die Zwischenprodukte auch als Hemmstoffe eingesetzt werden, welche das jeweilige Enzym spezifisch inhibieren. Auf diese Weise k?nnten neue Medikamente entstehen, wie beispielsweise zur Bek?mpfung von Fettleibigkeit, oder Antibiotika gegen multi-resistente Bakterien.