Enzymer är de centrala drivkrafterna för biokemiska metaboliska processer i varje levande cell, gör det möjligt för reaktioner att ske effektivt. Det är denna förmåga som gör dem användbara som katalysatorer inom bioteknik, till exempel, att skapa kemiska produkter som läkemedel. Ett ämne som för närvarande diskuteras flitigt är fotoinducerad katalys, där forskare utnyttjar förmågan att starta biokemiska reaktioner med hjälp av ljus. Denna process kräver enzymer som kan aktiveras med hjälp av ljus. Det är det inte, dock, en enkel sak att införliva de få naturligt förekommande ljusaktiverbara enzymerna i biotekniska processer, eftersom de är mycket specialiserade och svåra att manipulera.

Forskare vid universiteten i Münster (Tyskland) och Pavia (Italien) har nu identifierat ett enzym som blir katalytiskt aktivt när det utsätts för blått ljus och som omedelbart utlöser en reaktion som hittills varit okänd inom enzymologin. Reaktionen i fråga är en speciell monooxygenasreaktion, där en syreatom överförs till substratet. Reaktionen stöds av en hjälpmolekyl som levererar två elektroner stegvis. Tidigare, det hade antagits att en sådan ljusberoende reaktion inte kan inträffa i enzymer.

"Enzymet vi har identifierat tillhör en mycket stor familj av enzymer, och det är realistiskt att anta att andra enzymer som kan aktiveras av ljus kan produceras med hjälp av genetisk manipulation och användas i ett mycket brett spektrum av tillämpningar, "säger Dr Steffen L. Drees, som ledde studien och arbetar vid Institutet för molekylär mikrobiologi och bioteknik vid Münster University. En möjlig tillämpning, till exempel, är produktion av läkemedel som aktiveras med hjälp av ljus. Studien har publicerats i tidskriften Naturkommunikation .

I deras studie, forskarna undersökte enzymet PqsL, som finns i den opportunistiska patogenen Pseudomonas aeruginosa och, ursprungligen inte var ljusberoende. Forskarna stimulerade enzymet med blått ljus och analyserade reaktionen med en kombination av tidsupplösta spektroskopiska och kristallografiska tekniker.

Enzymet tillhör familjen flavoproteiner, och typiskt för denna familj av proteiner, använder ett derivat av vitamin B2 som en så kallad kofaktor för att katalysera inkorporeringen av syre i organiska molekyler. Samsubstratet NADH (reducerad nikotinamidadenindinukleotid) behövs som en "hjälparmolekyl" för den enzymatiska reaktionen, tillhandahålla nödvändiga elektroner. Reaktionsmekanismen som forskarna observerade i sin studie var tidigare okänd. Aktiveras av exponering för ljus i flavin-NADH-komplexet, NADH överför en enda elektron till det proteinbundna flavinet. På det här sättet, en flavinradikal skapas - detta är en mycket reaktiv molekyl som kännetecknas av en oparad elektron. Med hjälp av tidsupplöst spektroskopi, forskarna kunde observera hur molekylen bildade och ändrade dess tillstånd.

Flavinradikalen har en mycket negativ redoxpotential, vilket innebär att den har stor kapacitet att överföra elektroner till reaktionspartners. "På grund av denna egendom, vi antar att flavinradikalen också kan möjliggöra ytterligare reaktioner, vilket skulle utöka den katalytiska potentialen för detta enzym – såväl som för andra enzymer också, kanske, "säger gruppledaren prof. Susanne Fetzner.

Enzymet som identifierats är det enda som hittills inte är naturligt fotoaktivt, och utför en ljusoberoende reaktion i bakteriecellen. "Enzymets tredimensionella struktur visar att den utåtvända flavin-kofaktorn kan vara nyckeln till fotoaktivering, säger Simon Ernst, första författaren till studien.

Fotoaktiva enzymer möjliggör ett stort antal tillämpningar, t.ex. flerstegskatalys i en enkärlsreaktion eller rumsligt upplöst katalys, till exempel, att funktionalisera ytor i vissa mönster. De kan också vara användbara för så kallad prodrug-aktivering i kroppen eller på huden – detta är en process där en farmakologisk substans blir aktiv först efter metabolisering i organismen.