Wie Enzyme lernen, zwischen Molekülen zu unterscheiden

Enzyme katalysieren chemische Reaktionen mit hoher Substratspezifität und unterscheiden hochpräzise zwischen strukturell ähnlichen Molekülen. Diese Enantioselektivität ist essenziell für die biotechnologische und pharmazeutische Synthese, beispielsweise von Wirkstoffen wie Penicillin oder Cyclosporin. Zur Untersuchung der evolutionären Entstehung dieser Selektivität analysierte ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der TU Graz das Enzymsystem der pflanzlichen Borneol-Dehydrogenasen (BDHs). Die Ergebnisse belegen, dass neben Modifikationen im aktiven Zentrum auch periphere Aminosäurereste die katalytische Selektivität maßgeblich steuern.

Evolutionäre Rekonstruktion ancestraler Enzymvarianten

Borneol-Dehydrogenasen sind an der Biosynthese von Campher beteiligt und zeigen teils eine ausgeprägte Enantioselektivität gegenüber den zwei spiegelbildlichen Isomeren des 1-Borneols, von denen eine bevorzugt gebunden und oxidiert wird. Da Stereoisomere in der Wirkstoffsynthese drastisch abweichende pharmakologische Profile aufweisen können, ist die Trennung von Enantiomeren industriell hochrelevant. „Während natürliche Enzyme diese Spiegelbilder mit hoher Präzision erkennen, ist es in vielen Fällen unklar, wieso sich diese Funktion evolutionär durchgesetzt hat und welche Veränderungen im Enzym dafür verantwortlich waren“, sagt Robert Kourist.

Zur Nachzeichnung des Evolutionstradings werteten die Forschenden 97 verwandte Enzymsequenzen aus 59 Pflanzengattungen aus und rekonstruierten ancestrale Proteinstrukturen. „Dabei zeigte sich ein deutlicher evolutionärer Sprung: Ein bestimmtes rekonstruiertes Vorfahren-Enzym unterschied nur wenig zwischen den beiden spiegelbildlichen Molekülformen, während ein späteres Vorfahren-Enzym hingegen hochgradig selektiv war“, sagt Jasmin Zuson.

Allosterische Einflüsse und konformationelle Dynamik

Der Vergleich der beiden evolutionären Entwicklungsstufen offenbarte 19 Aminosäuresubstitutionen, von denen lediglich eine direkt im aktiven Zentrum lokalisiert ist. Während diese Einzelmutation die Selektivität messbar beeinflusste, war für das Erreichen einer hohen Enantioselektivität das Zusammenwirken mit Mutationen in der Proteinperipherie erforderlich. „Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Funktion eines Enzyms nicht ausschließlich aus dem aktiven Zentrum heraus erklären lässt. Veränderungen an anderen Stellen des Proteins können im Zusammenspiel die Eigenschaften des gesamten Enzyms entscheidend beeinflussen“, erklärt Kourist.

Molekulardynamik-Simulationen belegen, dass die periphere Aminosäuresequenz die räumliche Konformation und Flexibilität des gesamten Proteins moduliert. Dies steuert die Diffusions- und Orientierungsprozesse des Substrats in Lösung: Die hochselektive Enzymvariante nimmt bevorzugt eine Konformation ein, welche die energetisch günstige Ausrichtung des bevorzugten Enantiomers im aktiven Zentrum begünstigt.

Relevanz für das Rational Enzyme Engineering

Die Aufklärung dieser evolutionären Adaptionsmechanismen liefert wertvolle Ansätze für die angewandte Biotechnologie und das Protein-Engineering. „Ein besseres Verständnis der evolutionären Entstehung von Selektivität könnte künftig helfen, Enzyme gezielter für bestimmte Aufgaben zu optimieren“, schlussfolgert Kourist. Die Erkenntnisse erweitern das Design-Spektrum über das aktive Zentrum hinaus auf allosterische und periphere Strukturregionen.

Quelle

Technische Universität Graz (10/2026)