Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben een structurele neutronenanalyse uitgevoerd van een vitamine B6-afhankelijk eiwit, potentieel openen van wegen voor nieuwe antibiotica en medicijnen voor de bestrijding van ziekten zoals resistente tuberculose, malaria en suikerziekte.

specifiek, het team gebruikte neutronenkristallografie om de locatie van waterstofatomen in aspartaataminotransferase te bestuderen, of AAT, een enzym dat essentieel is voor het metabolisme van bepaalde aminozuren.

"We visualiseerden de eerste neutronenstructuur van een vitamine B6-enzym dat behoort tot een grote eiwitfamilie met honderden leden die in de natuur voorkomen, " zei ORNL's Andrey Kovalevsky, een senior co-auteur van de studie, die werd gepubliceerd in Nature Communications.

Vitamine B6-afhankelijke eiwitten maken deel uit van een diverse groep enzymen die meer dan honderd verschillende chemische reacties in cellen uitvoeren. De enzymen zijn interessant voor biomedische, evenals bio-energie, onderzoekers vanwege hun rol bij het metaboliseren van aminozuren en andere celvoedingsstoffen.

"Deze enzymen zijn uniek omdat ze elk een specifieke chemische reactie uitvoeren met uitstekende nauwkeurigheid, terwijl andere levensvatbare chemische transformaties worden onderdrukt, " zei Kovalevsky. "Hoe ze dit bereiken, wordt niet goed begrepen, maar het is van groot belang voor het ontwerp van medicijnen."

Het eerdere onderzoek van het team voorspelde dat waterstofatomen in en rond de actieve plaats van het enzym bewegen, waar de chemische reactie plaatsvindt, wat aangeeft dat de positionering van de waterstofatomen het reactietype regelt. Het kennen van de precieze locatie van waterstofatomen kan verklaren waarom het gedrag van deze enzymen zo specifiek is, maar waterstof is moeilijk te detecteren met standaardmethoden zoals röntgenkristallografie.

Om de posities van waterstofatomen binnen AAT direct te bepalen, het ORNL-geleide team wendde zich tot neutronendiffractietechnieken. De onderzoekers stelden delicate eiwitkristallen bloot aan neutronen met behulp van de IMAGINE-bundellijn bij ORNL's High Flux Isotope Reactor en de LADI-III-bundellijn bij het Institut Laue-Langevin in Grenoble, Frankrijk.

Verrassend genoeg, het team observeerde een reactie binnen één AAT-eiwitbiomolecuul terwijl een ander AAT-biomolecuul onveranderd was, het verstrekken van een voor-en-na perspectief van de enzym-gekatalyseerde chemische reactie.

"De gegevens onthulden dat in een van de biomoleculaire structuren van het enzym de covalente bindingen reorganiseerden nadat een chemische reactie plaatsvond in de actieve plaats en, in een andere, de reactie had niet plaatsgevonden, " zei Kovalevsky. "In wezen, we waren in staat om twee structuren in één kristal te verkrijgen, wat nog nooit eerder is gedaan voor een eiwit dat neutronen gebruikt."

Met deze kennis, het team zal moleculaire simulaties uitvoeren om het specifieke gedrag van de waterstofatomen te bepalen bij interactie met het enzym. De resultaten kunnen nuttig zijn bij het begeleiden van het toekomstige ontwerp van nieuwe geneesmiddelen tegen multiresistente tuberculose, malaria, diabetes en antibioticaresistente bacteriën.

"Deze studie benadrukt hoe neutronen een ongeëvenaarde sonde zijn voor het identificeren van de locatie van waterstofatomen in biologische systemen, ons voorzien van een ongekend niveau van structurele details voor dit belangrijke enzym, "Ladi-III beamline-wetenschapper Matthew Blakeley zei.