Forskare från University of Tsukuba har fått insikter på atomnivå i fosfoketolasenzymets struktur, vilket kommer att hjälpa forskare att optimera detta enzym för kemisk råvarusyntes. Kredit:University of Tsukuba
Läkemedel, plast och andra industrier använder enzymer för att syntetisera molekylära råvaror. Enzymer som tas direkt från mikrober som bakterier är ofta inte optimala för industriell användning; en fråga är att de ofta inte överlever de förhöjda temperaturer som påskyndar en syntes. Genteknik kan hjälpa till att skräddarsy enzymer för dessa ändamål. Kunskap om den exakta atom-för-atom-strukturen av det ursprungliga enzymet är viktigt för att förstå enzymfunktion i naturen, vilket ger insikt om hur man kan optimera gentekniken av enzymer. Men röntgenkristallografi, en vanlig teknik för att bestämma ett enzyms struktur som ett kritiskt steg i denna process, kan tyvärr också förändra dess struktur.
En teknik känd som kryogen elektronmikroskopi (kryo-EM) kan ge en liknande nivå av strukturella detaljer som den för röntgenkristallografi samtidigt som det naturliga enzymets struktur bibehålls. Faktum är att 2017 års Nobelpris i kemi tilldelades för att ha använt denna teknik för att bestämma strukturen hos biologiska molekyler. Nu, i en studie som nyligen publicerades i Journal of Structural Biology , har forskare från University of Tsukuba och samarbetspartners använt cryo-EM för att bestämma strukturen hos fermentationsenzymet fosfoketolas. Detta arbete kommer att underlätta genteknik av enzymet för industriella synteser.
"Röntgenkristallografi har revolutionerat hur forskare identifierar proteinstrukturer, men utvecklingen av alternativa medel som bättre återspeglar strukturerna i biologin är ovärderliga", förklarar seniorförfattaren professor Kenji Iwasaki. "Vår användning av cryo-EM som ett bildverktyg har avslöjat tidigare förtäckta strukturella detaljer i fosfoketolas som kommer direkt att gynna den kemiska industrin."
Forskarna rapporterar två huvudrön. Först samlas åtta fosfoketolasenheter till en struktur, känd som en oktamer. För det andra observerade de detaljer om en kedja av aminosyror som kallas QN-loopen som kan avgöra om enzymets funktionella plats är öppen eller stängd. Detta är ett möjligt sätt att förbättra den kemiska produktionen av enzymet.
Röntgenkristallografi döljer den strukturella detaljen som tillhandahålls av cryo-EM. Oktameren observerades tidigare med röntgenkristallografi men ansågs helt enkelt vara en mätartefakt. Dessutom missar röntgenkristallografi de öppna/stängda strukturella detaljerna.
"Industrien kommer nu att kunna korrelera funktionen hos fosfoketolas med dess korrekta struktur", säger Iwasaki. "Vi förväntar oss att dessa insikter kommer att påminna forskare om att röntgenkristallografi inte nödvändigtvis är det sista ordet om enzymstruktur; cryo-EM kan erbjuda värdefulla insikter."
Resultaten av denna studie är viktiga för att optimera prestandan hos ett fermenteringsenzym som är användbart för att utföra kemiska synteser inom industrin. Genom att använda enzymstrukturella insikter för att maximera framgången med genteknik, kan råvaror produceras för läkemedel, plaster och andra material på ett miljömässigt hållbart sätt. + Utforska vidare
