Leidenske kemister har föreslagit en ny modell för enzymatiska reaktioner där substratets flexibilitet är mycket viktigare än man tidigare trott. Deras resultat är paradigmskiftande och kan få stora konsekvenser för läkemedelsforskning och enzymteknik. Publicering i Angewandte Chemie .

Den nya modellen – kallad substratinducerad passform – kan bilda ett nytt paradigm inom enzymologi, fältet som studerar enzymer och deras reaktioner. För att förstå detta, överväga de tidiga dagarna av detta område. I slutet av 1800-talet, enzymer och de ämnen de reagerar med – så kallade substrat – sågs som ett lås och en nyckel som passade perfekt på varandra. Senare, bevis uppstod som indikerade att enzymer är flexibla och ändrar sin form för att bättre kunna ta emot substrat - även kallad induced-fit-modellen. Huvudförfattaren Fredj Ben Bdira och hans kollegor hävdar nu att flexibiliteten hos substrat länge har förbisetts och är avgörande för vissa enzymer, därav deras nya modell.

Ett misstänkt enzym

När man studerar enzymet xylanas, det gick upp för Ben Bdira att detta enzym inte riktigt ändrar sin konformation, även när den utsätts för olika underlag. Denna observation stämmer inte överens med den tidigare nämnda modellen för inducerad passform, som säger att enzymet ändrar sin konformation för att bättre tillgodose substratet. Ben Bdira:"Vi märkte detta i det kristallina tillståndet, som vanligtvis är styvare. Så vi ville veta:händer detta också i lösning, när enzymer är mer flexibla? För att studera detta, vi utvecklade en ny sond - en liten molekyl som vi kan fästa på enzymets yta." Detta gjorde det möjligt för forskarna att övervaka förändringar i enzymet i lösning, vid varje steg av den katalytiska reaktionen. "Vi blev mycket förvånade över att se att enzymet nästan inte ändrade sin konformation, liknande det som händer i det kristallina tillståndet."

Bevis

En annan sak som forskarna observerade var en förbättring av det så kallade enzymets millisekunders tidsskala dynamik. Ben Bdira:"Denna förbättring tillskrivs ofta att enzymet förändrar och optimerar dess konformation. eftersom vi redan visade att xylanas förblev stel under de olika stadierna av den katalytiska cykeln, det måste bero på bindningen av substratet i olika register och orienteringar inom enzymets bindningsklyfta. Detta steg följs av en långsam förvrängning av substratet för att möjliggöra reaktionen med enzymet. Och det är helt nytt på det här området."

Förbättra läkemedelsutveckling

Studien betonar vikten av att studera inte bara enzym utan även substratdynamik för att få en komplett bild av enzymkatalyserade reaktioner. Även om ytterligare forskning behövs, resultaten kan få stora konsekvenser för läkemedelsdesign. "I detta ögonblick, drogupptäckare tar inte riktigt hänsyn till vikten av substratflexibilitet, " säger Ben Bdira. "Vår upptäckt kan bana väg för utveckling av mer potenta läkemedel." Området proteinteknik kan lika gärna dra nytta av denna nya insikt genom att överväga substrats flexibilitet för att skapa mer skickliga katalysatorer.

Xylanas

I den här studien, Ben Bdira tittade på xylanas, en typ av beta-glykosidas som bryter ner xylan. "Xylan är en kedja av sockermolekyler som kan hittas i växternas cellväggar. Det är huvudkomponenten i trä och det näst vanligaste förnybara biomassamaterialet. Enzymet används i livsmedelsindustrin och vid blekning av pappersmassa." tidigare, under sin doktorsexamen. forskning, kemisten studerade också xylanas, såväl som andra beta-glykosidaser. Han hittade så småningom sätt att förändra dessa enzymer för specifika biotekniska tillämpningar och för att förbättra behandlingen av patienter med metabola sjukdomar som Gauchers sjukdom.