Farmaceutica, kunststoffen en andere industrieën gebruiken enzymen om moleculaire grondstoffen te synthetiseren. Enzymen die rechtstreeks uit microben zoals bacteriën worden gehaald, zijn vaak niet optimaal voor industrieel gebruik; een probleem is dat ze vaak de verhoogde temperaturen die een synthese versnellen, niet overleven. Genetische manipulatie kan helpen om enzymen voor deze doeleinden op maat te maken. Kennis van de exacte atoom-voor-atoomstructuur van het oorspronkelijke enzym is belangrijk om de enzymfunctie in de natuur te begrijpen, en geeft zo inzicht in hoe de genetische manipulatie van enzymen kan worden geoptimaliseerd. Röntgenkristallografie, een veelgebruikte techniek om de structuur van een enzym te bepalen als een cruciale stap in dit proces, kan helaas ook de structuur ervan veranderen.

Een techniek die bekend staat als cryogene elektronenmicroscopie (cryo-EM) kan een vergelijkbaar niveau van structurele details bieden als röntgenkristallografie, terwijl de structuur van het natieve enzym behouden blijft. De Nobelprijs voor Scheikunde 2017 werd zelfs toegekend voor het gebruik van deze techniek om de structuur van biologische moleculen te bepalen. Nu, in een recentelijk gepubliceerd onderzoek in het Journal of Structural Biology , hebben onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba en samenwerkende partners cryo-EM gebruikt om de structuur van het fermentatie-enzym fosfoketolase te bepalen. Dit werk zal de genetische manipulatie van het enzym voor industriële syntheses vergemakkelijken.

"Röntgenkristallografie heeft een revolutie teweeggebracht in de manier waarop onderzoekers eiwitstructuren identificeren, maar de ontwikkeling van alternatieve middelen die de structuren in de biologie beter weerspiegelen, is van onschatbare waarde", legt senior auteur professor Kenji Iwasaki uit. "Ons gebruik van cryo-EM als beeldvormingsinstrument heeft eerder verborgen structurele details in fosfoketolase blootgelegd die direct ten goede komen aan de chemische industrie."

De onderzoekers rapporteren twee belangrijke bevindingen. Ten eerste clusteren acht fosfoketolase-eenheden samen in één structuur, bekend als een octameer. Ten tweede observeerden ze details van een keten van aminozuren die bekend staat als de QN-lus die kan bepalen of de functionele plaats van het enzym open of gesloten is. Dit is een mogelijke manier om de chemische output van het enzym te verbeteren.

Röntgenkristallografie verduistert het structurele detail van cryo-EM. Het octameer werd eerder waargenomen met röntgenkristallografie, maar men dacht dat het gewoon een meetartefact was. Bovendien mist röntgenkristallografie de open/gesloten structurele details.

"De industrie zal nu in staat zijn om de functie van fosfoketolase te correleren met de juiste structuur", zegt Iwasaki. "We verwachten dat deze inzichten onderzoekers eraan zullen herinneren dat röntgenkristallografie niet noodzakelijk het laatste woord is over de enzymstructuur; cryo-EM kan waardevolle inzichten bieden."

De resultaten van deze studie zijn belangrijk voor het optimaliseren van de prestatie van een fermentatie-enzym dat nuttig is voor het uitvoeren van chemische syntheses in de industrie. Door structurele inzichten van enzymen te gebruiken om het succes van genetische manipulatie te maximaliseren, kunnen grondstoffen worden geproduceerd voor geneesmiddelen, kunststoffen en andere materialen op een ecologisch duurzame manier. + Verder verkennen

Methaan-etende bacteriën zetten broeikasgas om in brandstof