Ved hjælp af en serie på mere end 1.000 røntgenstråle-snapshots af shapeshifting af enzymer i aktion har forskere ved Stanford University belyst et af livets store mysterier-hvordan enzymer er i stand til at fremskynde livsbærende biokemiske reaktioner så dramatisk. Deres fund kan påvirke felter, der spænder fra grundlæggende videnskab til opdagelse af narkotika, og provokere en genovervejelse af, hvordan videnskab undervises i klasseværelset.
“Når jeg siger, at enzymer fremskynder reaktioner, mener jeg, som i en billion-billioner gange hurtigere for nogle reaktioner,” bemærkede seniorforfatter af undersøgelsen, Dan Herschlag, professor i biokemi i School of Medicine. “Enzymer er virkelig bemærkelsesværdige små maskiner, men vores forståelse af nøjagtigt, hvordan de fungerer, har manglet.”
Der er masser af ideer og teorier, der giver mening, sagde Herschlag, men biokemikere har ikke været i stand til at oversætte disse ideer til en specifik forståelse af de kemiske og fysiske interaktioner, der er ansvarlige for enzymers enorme reaktionshastigheder. Som et resultat har biokemikere ikke en grundlæggende forståelse og har derfor ikke været i stand til at forudsige enzymhastigheder eller designe nye enzymer såvel som naturen gør, en evne, der ville være påvirkelig på tværs af industri og medicin.
“Ved hjælp af disse detaljerede ensembler i enzymtilstande har vi været i stand til at kvantificere og nøje forklare i kemisk detalje, hvilke funktioner i enzymer, der giver katalyse og af hvor meget,” sagde undersøgelsens første forfatter, Siyuan Du, en doktorand i Herschlags laboratorium. Deres undersøgelse vises i den 14. februar -udgave af tidsskriftet Videnskab.
“Vores nye tilgang – og forståelse – starter os ned ad en vej til at være i stand til at designe enzymer, der konkurrerer med dem, der findes i naturen, skønt dette bare er starten, og der er behov for meget mere arbejde for at nå dette mål,” tilføjede Herschlag.
Undvigende enheder
Indtil 1926 var biokemister forvirrede af reaktioner, der var eksklusive for levende systemer, der kridt dem op til en mystisk “vital styrke.” Det år isolerede James Sumner det første kendte enzym, Urease, i en Nobelprisvindende undersøgelse. Biokemister har siden brugt det forrige århundrede på at prøve at forstå, hvordan enzymer gør reaktioner så hurtigt og så specifikke. Det vil sige, de har beskrevet, hvordan de fungerer med ord, ikke kvantitativt, og det har ført til debat og kontrasterende synspunkter på, hvordan de fungerer.
Du og Herchlag bygget på en bredt udsigt blandt biofysikere om, at enzymer ikke er en enkelt struktur. I stedet fokuserer de på, hvad de betegner “ensembler”, der viser, hvordan enzymer bevæger sig mellem forskellige fysiske tilstande – eller konformationelle ensembler – under katalyse.
“Alle eksisterende modeller bruger en vis grad af placering af de reagerende kemikalier og grupper af kemikalier på enzymet, der hjælper reaktioner,” forklarede Herschlag. Men debatten har raset om, hvor meget positionering betyder noget, uden nogen måde at måle det uden dette nye ‘ensemble’ tilgang Herschlag og DU har taget.
“Enzymer er konstant i bevægelse – i et ensemble af tilstande – og reaktionshastigheden bestemmes af sandsynlighederne i ensemblet,” uddybede du.
Som deres emne valgte forfatterne en familie af enzymer kendt som serinproteaserne, som er den familie, som de fleste biokemiske lærebøger bruger til at forklare enzymatiske processer til spirende biokemikere.
Undersøgelse af disse ensembler og sammenligning af reaktionstilstande på enzymer med tilstande med ukatalyserede enzymer i rent vand, herschlag og DU nedbrød enzymkatalyse til de enkelte energiske bidrag på det nøjagtige sted, hvor enzym og målmolekyl mødes under en reaktion, kendt som det aktive sted, At forstå, hvordan de fungerer kemisk og fysisk for at fremskynde reaktioner.
Potentiel energi
I et eksempel bemærkede Du, hvordan et enzyms iltatom på det aktive sted indgav på et carbonatom på molekylet, det er “angribende.” Det er lidt som en opviklet forår, sagde Du, men advarede mod en for bogstavelig fortolkning, og bemærkede, at de måder, hvorpå individuelle atomer og grupper af atomer bevæger sig, adskiller sig fra den glatte bevægelse af en fjeder.
“Der er en lille smule spænding, der tvinger disse atomer sammen, og når reaktionen sker, skubber al den ophøjede energi reaktionen fremad, og det fører til en meget hurtigere reaktion,” sagde hun.
DU bemærkede derefter, at disse katalytiske strategier optrådte på tværs af alle serinproteaser, som forventet, men også i mere end 100 andre enzymer.
“Naturen har udviklet disse mekanismer uafhængigt i flere enzymfamilier – dette er ikke et isoleret træk, men katalytiske mekanismer, der er blevet opdaget flere gange af naturen gennem evolution. Dette betyder, at vi muligvis kan kopiere naturen og bruge dette og andre funktioner til at designe og bygge nye enzymer, “sagde Du.
Hvad angår hvad der kommer næste, sagde Herschlag og Du, at evnen til at forklare de ekstraordinære evner for disse vigtige biokemikalier i enkle kemiske termer kunne revolutionere, hvordan biokemi undervises og kunne fremskynde ny videnskab på en række vigtige felter.
“Bundlinjen,” sagde Herschlag, “vi er nødt til bedre at forstå enzymer, før vi kan forvente at have reel magt over dem og konstruere bedre.”