Enzymernas struktur avgör hur de styr vitala processer som matsmältning eller immunsvar. Detta beror på att proteinföreningarna inte är styva, men kan ändra sin form genom rörliga "gångjärn". Formen på enzymer kan bero på om deras struktur mäts i provröret eller i den levande cellen. Detta är vad fysikokemister vid universitetet i Bonn upptäckte om YopO, ett enzym av pestpatogenen. Detta grundläggande resultat, som nu har publicerats i tidskriften Angewandte Chemie , är potentiellt också av intresse för läkemedelsforskning.

Alla levande celler innehåller proteiner, som är avgörande för upprätthållandet av kroppsfunktioner. Proteiner består främst av aminosyror och, som katalysatorer (enzymer), möjliggöra biokemiska reaktioner som annars inte skulle äga rum. Enzymer styr till exempel matsmältningen och immunförsvaret. "Typen av biokemiska reaktioner och hur de uppstår beror på proteinernas struktur, " säger prof. dr. Olav Schiemann från Institutet för fysisk och teoretisk kemi vid universitetet i Bonn. Proteiner är inte stela, men kan ändra form genom rörliga "gångjärn". Detta samspel mellan struktur och dynamik avgör vad som händer. Enzymet och ämnet som ska omvandlas måste passa ihop som en nyckel och lås för att katalysera en specifik process.

YopO är förankrat i membranet och därför särskilt stabil

Forskarna använde ett protein från pestpatogener (Yersinia) för sin forskning. Dessa lurar immunsystemet genom att injicera proteiner som YopO (Yersinia yttre protein O) i de angripande makrofagerna. YopO binder till aktinet i de försvarande cellerna, vilket gör att immuncellerna inte längre kan omsluta och smälta patogenerna. "Vi använde YopO eftersom detta enzym är medicinskt intressant och kan förankras eller immobiliseras i ett membran, "förklarar Schiemann." Det senare är en viktig förutsättning för våra mätningar vid rumstemperatur. "

Nico Fleck från Schiemanns forskargrupp utvecklade spin-etiketter för detta ändamål som var specifikt anpassade för undersökningar inom cellen. Dessa är små "flaggor" som teammedlemmen Caspar A. Heubach fäste vid olika positioner av proteinet. Med DQC-metoden (Double Quantum Coherence) som fungerar som en linjal på molekylär nivå, lagmedlem Tobias Hett mätte sedan avstånden mellan flaggorna. "Om vi ​​vet avstånden mellan spinnetiketterna, vi kan härleda vilka strukturer ett visst enzym kan anta, "säger Hett. Det här fungerar ungefär som en" sat nav "för molekyler; trots allt, vägledningssystemet för fordon är också baserat på avståndsmätningar.

Forskarna tillämpade DQC-metoden på YopO i provröret och, för jämförelse, i ägg från den afrikanska klogrodan, som ofta används som modellorganismer inom vetenskapen. För mätningarna i cellen, YopO märkt med flaggorna injicerades i äggen med en spruta, "väldigt likt det som pestpatogenerna gör på molekylär nivå, "förklarar Nico Fleck. Detta visade att YopO kunde ta upp ett större antal olika strukturer när den var i vattenlösning i provröret än i äggen." YopO är strukturellt mer rörlig i provröret än i levande celler, " säger Schiemann. "I celler, strukturer som membran och interaktioner med andra proteiner minskar den strukturella mångfalden av YopO."

Fundamental princip

Detta resultat gäller inte bara YopO, men är en grundläggande princip:I provröret finns det ingen "korsett" som påförs av andra cellstrukturer, utvecklingsmöjligheterna för enzymer är större. Forskarna tror att detta har konsekvenser för alla studier som rör biomolekyler. "Undersökningar av de isolerade biomolekylerna är verkligen viktiga. För en fullständig bild, dock, sådana strukturer och dynamik bör studeras under så naturliga förhållanden som möjligt, " säger Schiemann. Caspar Heubach tillägger:"Om resultaten av en studie hänvisar till biomolekylära processer i celler, man bör, som i detta fall, också undersöka strukturen och dynamiken hos proteiner i levande celler."

Eftersom proteiner styr olika cellulära processer, de är också i fokus för sökandet efter nya behandlingar. Forskarna är därför övertygade om att resultaten från forskargruppen vid universitetet i Bonn också är av potentiellt intresse för läkemedelsforskning. "Interaktionerna i cellen är viktiga för strukturen och dynamiken hos proteiner, ", säger Schiemann. "Det gör därför en skillnad hur strukturen hos enzymer bestäms i sökandet efter aktiva substanser."