Enzymen zijn de centrale drijfveren voor biochemische metabolische processen in elke levende cel, waardoor reacties efficiënt kunnen plaatsvinden. Het is dit vermogen dat ze bruikbaar maakt als katalysatoren in de biotechnologie, bijvoorbeeld, om chemische producten zoals farmacie te maken. Een onderwerp dat momenteel veel wordt besproken, is foto-geïnduceerde katalyse, waarin onderzoekers het vermogen benutten om met licht biochemische reacties te starten. Voor dit proces zijn enzymen nodig die door middel van licht kunnen worden geactiveerd. Het is niet, echter, een eenvoudige zaak om de weinige natuurlijk voorkomende, door licht activeerbare enzymen op te nemen in biotechnologische processen, omdat ze zeer gespecialiseerd en moeilijk te manipuleren zijn.

Onderzoekers van de universiteiten van Münster (Duitsland) en Pavia (Italië) hebben nu een enzym geïdentificeerd dat katalytisch actief wordt bij blootstelling aan blauw licht en dat onmiddellijk een reactie veroorzaakt die tot nu toe onbekend was in de enzymologie. De reactie in kwestie is een speciale mono-oxygenasereactie, waarbij een zuurstofatoom wordt overgebracht naar het substraat. De reactie wordt ondersteund door een hulpmolecuul dat stapsgewijs twee elektronen aflevert. Eerder, er was aangenomen dat zo'n lichtafhankelijke reactie niet kan optreden in enzymen.

"Het enzym dat we hebben geïdentificeerd, behoort tot een zeer grote familie van enzymen, en het is realistisch om aan te nemen dat andere enzymen die door licht kunnen worden geactiveerd, door middel van genetische manipulatie kunnen worden geproduceerd en voor een zeer breed scala aan toepassingen kunnen worden gebruikt, " zegt Dr. Steffen L. Drees, die de studie leidde en werkt aan het Instituut voor Moleculaire Microbiologie en Biotechnologie van de Universiteit van Münster. Een mogelijke toepassing, bijvoorbeeld, is de productie van geneesmiddelen geactiveerd door middel van licht. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

In hun studie hebben onderzochten de onderzoekers het enzym PqsL, die wordt gevonden in de opportunistische ziekteverwekker Pseudomonas aeruginosa en, was oorspronkelijk niet lichtafhankelijk. De onderzoekers stimuleerden het enzym met blauw licht en analyseerden de reactie met een combinatie van in de tijd opgeloste spectroscopische en kristallografische technieken.

Het enzym behoort tot de familie van flavoproteïnen, en typisch voor deze familie van eiwitten, gebruikt een derivaat van vitamine B2 als zogenaamde cofactor voor het katalyseren van de opname van zuurstof in organische moleculen. Het cosubstraat NADH (gereduceerd nicotinamide-adenine-dinucleotide) is nodig als een "helpermolecuul" voor de enzymatische reactie, zorgen voor de nodige elektronen. Het reactiemechanisme dat de onderzoekers in hun onderzoek observeerden, was voorheen onbekend. Geactiveerd door blootstelling aan licht in het flavine-NADH-complex, NADH brengt een enkel elektron over naar het eiwitgebonden flavine. Op deze manier, er wordt een flavineradicaal gecreëerd - dit is een zeer reactief molecuul dat wordt gekenmerkt door een ongepaard elektron. Met behulp van tijdsopgeloste spectroscopie, de onderzoekers konden observeren hoe het molecuul zich vormde en van toestand veranderde.

De flavineradicaal heeft een zeer negatieve redoxpotentiaal, wat betekent dat het een grote capaciteit heeft voor het overbrengen van elektronen naar reactiepartners. "Vanwege dit pand we nemen aan dat de flavineradicaal ook extra reacties kan laten plaatsvinden, die het katalytische potentieel van dit enzym zou vergroten, evenals van andere enzymen, misschien, " zegt groepsleider prof. Susanne Fetzner.

Het geïdentificeerde enzym is tot dusver het enige dat van nature niet fotoactief is, en voert een lichtonafhankelijke reactie uit in de bacteriecel. "De driedimensionale structuur van het enzym laat zien dat de naar buiten gerichte flavine-cofactor de sleutel kan zijn tot fotoactivering, " zegt Simon Ernst, eerste auteur van de studie.

Fotoactieve enzymen maken een groot aantal toepassingen mogelijk, bijvoorbeeld meerstaps katalyse in een eenvatsreactie of ruimtelijk opgeloste katalyse, bijvoorbeeld, om oppervlakken in bepaalde patronen te functionaliseren. Ze kunnen ook nuttig zijn voor zogenaamde prodrug-activering in het lichaam of op de huid - dit is een proces waarbij een farmacologische stof pas actief wordt na metabolisatie in het organisme.