Ny forskning beskriver de kemiska stegen som används av ett naturligt förekommande enzym för att omvandla en vanlig kemisk förening till eten - ett växthormon som är viktigt för fruktmognad och en industriell kemikalie som används vid tillverkning av plast och textilier. En artikel som beskriver forskningen av forskare vid Penn State dyker upp online den 12 augusti i tidskriften Vetenskap .

"Eftersom eten är så viktigt i tillverkningsindustrin för att tillverka plast, lösningsmedel och textilier, det är en av de mest rikligt producerade föreningarna på jorden, " sa Rachelle Copeland, en nyutexaminerad doktor från Penn State och första och motsvarande författare till tidningen. "För närvarande, petroleum är vår huvudsakliga etenkälla för dessa användningsområden. Dock, växter och vissa mikrober producerar eten naturligt. Att förstå den steg-för-steg kemiska processen som används av dessa växter och mikrober kan hjälpa oss att gå bort från petroleumbaserad etenproduktion."

Det passande namnet "etylenbildande enzym (EFE)" kan omvandla en vanlig kemisk förening - 2-oxoglutarat, som finns i nästan alla organismer där det spelar en roll i ämnesomsättningen - till eten, men forskare hade inte kunnat exakt karakterisera mekanismen som används av enzymet. Reaktionen som krävs för denna transformation skiljer sig fundamentalt från reaktioner som drivs av enzymer som är nära besläktade med EFE.

Enzymer är proteiner som initierar eller påskyndar de kemiska reaktioner som är nödvändiga för att upprätthålla liv, de flesta kräver atomer, kluster av atomer, eller små molekyler – gemensamt kända som kofaktorer – för att få dessa reaktioner att hända. EFE tillhör en klass av enzymer som främjar reaktioner av olika typer av molekyler med syre, möjliggörs av en järnkofaktor och 2-oxoglutarat-samsubstrat.

"Vår labbgrupp har studerat enzymer relaterade till EFE i nästan 20 år, sa Carsten Krebs, professor i kemi och i biokemi och molekylärbiologi vid Penn State och en författare till artikeln. "EFE är unikt bland denna familj av enzymer eftersom det bryter ner 2-oxoglutarat på två olika sätt. Det första är välkaraktärt, men den andra, den som producerar eten, har varit ett mysterium fram till nu."

Forskargruppen dissekerade den kemiska vägen för etenbildning av EFE genom att infoga isotoper - atomer som skiljer sig åt i atomvikt och kan spåras när reaktionen pågår - i de olika produkterna. På detta sätt kunde teamet spåra individuella atomer för att se var de tar vägen under reaktionens gång. Separat, de gjorde också kemiska modifieringar av både enzymet och 2-oxoglutaratet för att se hur reaktionen och produkterna förändrades.

"Med hjälp av dessa tekniker, vi kunde se att EFE initierar reaktionen mellan 2-oxoglutarat och syre på ett helt annat sätt än andra relaterade enzymer, " sa Copeland. "Den sätter in syret mellan två kolatomer av 2-oxoglutarat, som producerar en unik mellanliggande förening som enzymet sedan bryter ner till eten."

Placeringen av den införda syreatomen hade beräkningsmässigt förutspåtts men hade inte visats experimentellt förrän nu.

"Det har föreslagits flera mekanismer under åren för att förklara hur EFE omvandlar 2-oxoglutarat till eten, men det har inte funnits några experimentella data att skilja mellan dem, " sa J. Martin Bollinger Jr., professor i kemi och i biokemi och molekylärbiologi vid Penn State och en författare till artikeln. "Rachelle designade dessa experiment för att titta på de mest grundläggande aspekterna av reaktionen. Vart tar de enskilda atomerna vägen? Och det kartlägger en omisskännligt tydlig mekanism."