I en nyligen publicerad studie i Angewandte Chemie International Edition , har forskare vid institutionen för medicinsk biokemi och biofysik (MBB) vid Karolinska Institutet ifrågasatt det gamla paradigmet kring isotoper av lätta element – ​​kol, väte, kväve och syre. Dessa isotoper har nu framstått som kraftfullare än man trodde.

Traditionellt trodde forskare att isotopiska effekter i biokemiska reaktioner var mer eller mindre proportionella mot massaskillnaden mellan isotoper. Till exempel en 0,5 % massaskillnad mellan normala och ultralätta enzymer (molekyler med utarmade tunga isotoper ¹³ C, ² H, ¹⁵ N och ¹⁸ O) bör ge en kinetisk effekt på högst 1 %. Studien visar dock att effekten kan vara 250–300 %, vilket är två storleksordningar större än förväntat, beroende på temperatur.

Molekylär dynamiksimuleringar, som ofta används i tusentals vetenskapliga publikationer, har konsekvent förbisett isotopsammansättningen. Forskare måste nu omkalibrera sina resultat och ta hänsyn till isotopers dolda inverkan.

"Isotopiskt rena föreningar, som enzymer, har överlägsna egenskaper jämfört med konventionella föreningar. Detta påverkar inte bara kemi och biokemi, utan även biologi och, möjligen, medicin", säger Roman Zubarev, professor och forskargruppsledare i Roman Zubarev Group vid MBB .

Flera områden inom vetenskap och teknik kan omedelbart påverkas. "För det första kan ultralätta enzymer omedelbart produceras genom uttryck i E. coli som odlats i isotopiskt utarmade medier, som vi har gjort i detta arbete. Dessa enzymer arbetar 2–3 gånger snabbare än motsvarande enzymer som uttrycks av samma E. coli men odlas. i vanliga media.

"För det andra, tillämpningen av den ultralätta effekten inom biologin – man kan odla ultralätta organismer och studera deras avvikande egenskaper. Till exempel odlade vi C. elegans på den ultralätta E. coli och fann att de växer snabbare men också åldras och dör tidigare.

"För det tredje kan isotopseparationsfältet se en enormt ökad efterfrågan på utarmning av tunga isotoper. Nya metoder, inklusive kromatografi, kan behöva utvecklas för att tillgodose denna efterfrågan och minska kostnaderna för ultralätta föreningar.

"Äntligen kommer teknikerna för att analysera stabila isotoper i proteiner, såsom vår Fourier Transform Isotopic Ratio Mass Spectrometry, få ökat intresse", säger Zubarev.

Mer information: Xuepei Zhang et al, Ultralight Ultrafast Enzymes, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202316488

Journalinformation: Angewandte Chemie International Edition

Tillhandahålls av Karolinska Institutet