In een onlangs gepubliceerd onderzoek in Angewandte Chemie International Edition hebben onderzoekers van de afdeling Medische Biochemie en Biofysica (MBB) van het Karolinska Institutet vraagtekens gezet bij het oude paradigma rond isotopen van lichte elementen:koolstof, waterstof, stikstof en zuurstof. Deze isotopen zijn nu krachtiger gebleken dan men dacht.

Traditioneel geloofden wetenschappers dat isotopische effecten bij biochemische reacties min of meer evenredig waren aan het massaverschil tussen isotopen. Er is bijvoorbeeld een massaverschil van 0,5% tussen normale en ultralichte enzymen (moleculen met uitgeputte zware isotopen ¹³ C, ² H, ¹⁵ N en ¹⁸ O) mag een kinetisch effect van niet meer dan 1% opleveren. Uit het onderzoek blijkt echter dat het effect 250% tot 300% kan zijn, wat twee ordes van grootte groter is dan verwacht, afhankelijk van de temperatuur.

In duizenden wetenschappelijke publicaties wordt bij simulaties van de moleculaire dynamiek consequent de isotopensamenstelling over het hoofd gezien. Onderzoekers moeten nu hun resultaten herijken, rekening houdend met de verborgen invloed van isotopen.

"Isotopisch zuivere verbindingen, zoals enzymen, hebben superieure eigenschappen vergeleken met conventionele verbindingen. Dit heeft niet alleen invloed op de chemie en biochemie, maar ook op de biologie en mogelijk de geneeskunde", zegt Roman Zubarev, professor en onderzoeksgroepleider bij Roman Zubarev Group bij MBB .

Verschillende gebieden van wetenschap en technologie kunnen onmiddellijk worden getroffen. "Ten eerste kunnen ultralichte enzymen onmiddellijk worden geproduceerd door expressie in E. coli gekweekt in isotopisch verarmde media, zoals we in dit werk hebben gedaan. Deze enzymen werken 2-3 keer sneller dan de overeenkomstige enzymen die tot expressie worden gebracht door dezelfde E. coli maar gekweekt in normale media.

"Ten tweede, de toepassing van het ultralichte effect in de biologie:je kunt ultralichte organismen kweken en hun afwijkende eigenschappen bestuderen. We hebben bijvoorbeeld C. elegans gekweekt op de ultralichte E. coli en ontdekten dat ze sneller groeien, maar ook sneller verouderen en eerder sterven.

"Ten derde kan er op het gebied van isotopenscheiding een enorm toegenomen vraag naar de uitputting van zware isotopen ontstaan. Nieuwe methoden, waaronder chromatografie, moeten mogelijk worden ontwikkeld om aan deze vraag te voldoen en de kosten van ultralichte verbindingen te verlagen.

"Ten slotte zullen de technieken om stabiele isotopen in eiwitten te analyseren, zoals onze Fourier Transform Isotopic Ratio Massaspectrometrie, steeds meer belangstelling krijgen", zegt Zubarev.

Meer informatie: Xuepei Zhang et al., Ultralight Ultrafast Enzymes, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202316488

Journaalinformatie: Angewandte Chemie Internationale Editie

Aangeboden door Karolinska Institutet