Durchbruch für maßgeschneidertes Enzymdesign

Enzyme gelten als Schlüssel für eine nachhaltige Chemie. Trotz großer Fortschritte im Proteindesign blieb die De-novo-Konstruktion künstlicher Biokatalysatoren bislang eine Herausforderung. Ein Forschungsteam der Universität Bayreuth und der University of Ottawa löste nun dieses Problem. Sie verwandelten funktionslose Proteingerüste in hochaktive Enzyme.
Strukturell nutzen viele natürliche Enzyme die sogenannte TIM-Barrel-Faltung. Diese Faltung kommt in etwa zehn Prozent aller bekannten Enzyme vor. Sie unterstützt nahezu alle Reaktionstypen. Dabei faltet sich eine Aminosäurenkette in eine definierte dreidimensionale Struktur. Genau diese Geometrie bestimmt die spätere katalytische Aktivität.

Der CANVAS-Workflow: Implementierung katalytischer Zentren

Computergestützt entworfene De-novo-TIM-Barrels zeigten im Labor bisher keine enzymatische Aktivität. Sie besaßen lediglich die korrekte Geometrie. Für bioanalytische oder biotechnologische Anwendungen waren diese Moleküle unbrauchbar. Das Team um Prof. Dr. Birte Höcker (Bayreuth) und Prof. Dr. Roberto Chica (Ottawa) entwickelte Abhilfe. Der neue Workflow namens CANVAS transformiert funktionslose Gerüste in aktive Katalysatoren.

„In unserer Studie haben wir verschiedene computerbasierte Methoden kombiniert. So ist es uns gelungen, die künstlichen TIM-Barrels gezielt um eine maßgeschneiderte aktive Tasche zu erweitern“, sagt Dr. Julian Beck. Diese Modifikation verleiht den Proteinen eine außergewöhnlich hohe, messbare Aktivität.

Kinetische Validierung mittels Kemp-Eliminierung

Die Evaluierung der katalytischen Leistungsfähigkeit erfolgte über ein etabliertes Modellsystem.
„Als Testreaktion für die neuen Enzyme haben wir die Kemp-Eliminierung gewählt, eine klassische nicht-natürliche Reaktion im Proteindesign, die einfach zu messen ist“, sagt Höcker.

Bereits die erste Designvariante, genannt KempTIM1, zeigte eine herausragende Kinetik. Die katalytische Effizienz lag ohne vorherige Optimierung siebenmal höher als bei vergleichbaren Systemen aktueller Publikationen. Durch gezielte Folgeschritte entstand die Variante KempTIM4b. Diese übertrifft die Aktivität von KempTIM1 nochmals deutlich.

Potentiale für die grüne Biotechnologie

Die Ergebnisse demonstrieren den erfolgreichen Einsatz künstlicher Proteingerüste als funktionelle Biokatalysatoren. Das Spektrum maßgeschneiderter Enzyme lässt sich so systematisch erweitern.

„Insgesamt zeigt unsere Forschungsarbeit, dass es möglich ist, de novo Proteine als Ausgangspunkt für neue Enzyme zu verwenden und somit das vorhandene Repertoire an verfügbaren Enzymen zu erweitern. Damit werden neue Möglichkeiten in der Biotechnologie und grünen Chemie eröffnet, indem für beabsichtigte Reaktionen neue maßgeschneiderte Proteine designt werden“, so Beck.

Quelle

Universität Bayreuth (06/2026)