Enzymer från kylälskande organismer som lever vid låga temperaturer, nära vattnets fryspunkt, uppvisa mycket distinkta egenskaper. I en ny studie publicerad i Naturkommunikation , forskare vid Uppsala universitet har använt storskaliga beräkningar för att förklara varför många kylanpassade enzymer slutar fungera vid omkring rumstemperatur.

Enzymer är "maskinerna" som upprätthåller ämnesomsättningen i alla levande celler, men tyvärr slutar alla biokemiska reaktioner normalt vid låga temperaturer. Evolutionen har löst detta problem genom att utveckla kylanpassade enzymer i arter vars inre celltemperatur är densamma som i den kalla yttre miljön. Detta gäller otaliga organismer, från bakterier till vissa växter och kallblodiga ryggradsdjur, till exempel fiskar som lever i mycket kallt vatten. Dessa kylanpassade enzymer har speciella termodynamiska egenskaper som gör att de kan fungera under frysförhållanden. Tydligen, de smälter också vid lägre temperaturer än vanliga enzymer; men det gör ingen skillnad om de smälter vid ungefär 40 grader Celsius, eftersom de aldrig behöver arbeta i en så varm miljö.

Dock, en stor olöst gåta har varit varför många kylanpassade enzymer slutar fungera även vid omkring rumstemperatur, långt innan de börjar smälta. Forskarna Jaka Socan, Miha Purg och Johan Åqvist har nu, för första gången, lyckats förklara detta med hjälp av omfattande datorsimuleringar.

Forskarna simulerade den kemiska reaktionen i ett stärkelsenedbrytande enzym från en antarktisk bakterie vid olika temperaturer, och jämförde detta med beräkningar för samma enzym från ett vanligt, varmblodig gris. Det antarktiska enzymet visade sig sedan börja bryta upp lokalt även vid rumstemperatur, och denna defekt gör att stärkelsemolekylerna vidhäftar mycket sämre till enzymet. Detta fenomen ger upphov till en maximal reaktionshastighet vid 25 grader Celsius, och äger rum vid cirka 15 grader Celsius under smältpunkten. I grisenzymet, å andra sidan, reaktionshastigheten bara fortsätter att öka tills enzymet slutligen smälter vid ungefär 60 grader Celsius.

Med datorberäkningar, det är alltså möjligt att identifiera vilka delar av de kylanpassade enzymerna som ger upphov till deras speciella egenskaper.

"Både våra nya resultat och tidigare från datorsimuleringar av olika kylanpassade enzymer, och deras mutanter, visa att vi nu har nått ett stadium där man rationellt kan designa om enzymer för att förändra deras egenskaper på ett förutsägbart sätt. Detta tillvägagångssätt har länge varit ett mål, men hittills har den inte kunnat konkurrera med slumpmässig laboratorieutveckling av enzymer, för vilken Frances Arnold tilldelades Nobelpriset 2018, säger Johan Åqvist, Professor i teoretisk kemi vid institutionen för cell- och molekylärbiologi, Uppsala universitet.