Wetenschappers van de Universiteit van Bonn hebben een methode ontwikkeld waarmee een enzym aan het werk kan worden "gefotografeerd". Hun methode maakt het mogelijk om de functie van belangrijke biomoleculen beter te begrijpen. Ook hopen de onderzoekers inzicht te krijgen in de oorzaken van bepaalde enzymstoornissen. De studie zal worden gepubliceerd in het tijdschrift Chemie – Een Europees tijdschrift .

Als een buitenaards wezen voor het eerst een afbeelding van een schaar ziet in een catalogus met knutselspullen, hij zou waarschijnlijk geen idee hebben waar wij aardbewoners dit ding voor gebruiken. Indien, anderzijds, hij zou een video te zien krijgen waarin de schaar open en dicht gaat, misschien zou hij met een beetje fantasie hun functie kunnen afleiden.

Wetenschappers hebben een zeer vergelijkbare benadering als ze willen begrijpen hoe een enzym werkt:als ze de structuur van het molecuul al kennen, dan meestal alleen als stilstaand beeld. Ze weten niet hoe het enzym zich in actie gedraagt, welke delen naar elkaar toe bewegen en welke delen van elkaar af bewegen.

Enzymen katalyseren bepaalde chemische reacties in de cellen, vergelijkbaar met een schaar die papier snijdt. Ze hebben katalytische centra (de bladen) die in contact komen met het uitgangsmateriaal (het papier). "De driedimensionale vorm van het enzym verandert meestal tijdens dit proces, " legt Prof. Dr. Olav Schiemann van het Instituut voor Fysische en Theoretische Chemie aan de Universiteit van Bonn uit. "Normaal gesproken, deze conformatieveranderingen kunnen niet zichtbaar worden gemaakt, of alleen met grote inspanning. Dit maakt het vaak moeilijk om het katalysemechanisme te begrijpen."

De onderzoeksgroep van Schiemann is erin geslaagd een methode te ontwikkelen waarmee tijdens katalyse de bewegingen van delen van het eiwit tegen elkaar gemeten kunnen worden. De Bonn-wetenschappers werken al enkele jaren met groot succes aan dergelijke methoden. In hun huidige studie ze hebben een bijzonder belangrijke groep enzymen onderzocht. Deze dragen metaalionen met talrijke ongepaarde elektronen in hun katalytische centra. Een voorbeeld is hemoglobine, dat met behulp van een ijzerion zuurstof bindt en zo in het bloed kan worden getransporteerd.

Flipping ionen

"Onze huidige methoden zijn ongeschikt voor dergelijke high-spin ionen, " legt Schiemanns collega Dr. Dinar Abdullin uit. "Daarom hebben we een nieuwe methode ontwikkeld, de theorie uitgewerkt en met succes getest." De onderzoekers maakten gebruik van het feit dat high-spin ionen zich gedragen als kleine elektromagneten. ze kunnen willekeurig hun polariteit veranderen - ze "draaien":de Noordpool wordt de Zuidpool en de Zuidpool wordt de Noordpool.

Dit fenomeen kan worden gebruikt voor afstandsmeting. Hier, de wetenschappers koppelen het enzym aan bepaalde chemische verbindingen die ook elektromagnetische eigenschappen hebben. "Als de high-spin ionen omslaan, deze kleine elektromagneten reageren op het veranderde magnetische veld in hun omgeving door ook hun polariteit te veranderen, " legt Abdullin uit. Wanneer en hoe ze dit doen, hangt af, onder andere, op de afstand tot het high-spin ion. Hierdoor is het mogelijk om de afstand tussen beide zo nauwkeurig te bepalen.

Als meerdere magnetische groepen aan één enzym zijn gebonden, de afstand van elk van deze groepen tot het hoogspin-ion en dus tot het katalytische centrum wordt verkregen. "Door deze waarden te combineren, we kunnen de ruimtelijke positie van dit centrum meten, alsof we een moleculaire GPS gebruiken, " legt Schiemann uit. "Bijvoorbeeld we kunnen bepalen hoe zijn positie verandert ten opzichte van de andere magnetische groepen in de loop van katalyse."

Echter, de wetenschappers kunnen het enzym nog niet echt aan het werk zien. "We werken nog steeds met bevroren cellen, ", zegt Schiemann. "Deze bevatten talloze enzymen die tijdens de katalytische reactie op verschillende tijdstippen zijn ingevroren. We krijgen dus geen film, maar een reeks "stills - alsof de schaar uit het inleidende voorbeeld op talloze verschillende momenten tijdens het montageproces is gefotografeerd.

"Maar we zijn al bezig met de volgende verbetering, benadrukt de chemicus:"Het ruimtelijk meten van biomoleculen in cellen en bij kamertemperatuur." De onderzoekers hopen inzicht te krijgen in het ontstaan ​​van bepaalde ziekten die worden uitgelokt door functiestoornissen van enzymen.