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Von der Struktur zum Mechanismus

Das Leben ist undenkbar ohne die Vielzahl von Enzymen, die in pflanzlichen, tierischen und mikrobiellen Organismen den Fluss im komplexen Stoffwechsel jeder Zelle bewerkstelligen. So steuern und beschleunigen sie als Biokatalysatoren schwierige chemische Reaktionen rund um Vererbung, Atmung und Verdauung, aber auch die Synthese von Naturstoffen. Damit sind Enzyme wie Chorismatasen als Angriffspunkt für die Entwicklung neuer Wirkstoffe interessant. Juniorprofessorin Dr. Jennifer Andexer vom Institut für Pharmazeutische Wissenschaften der Universität Freiburg hat an der Entdeckung einer neuen Familie der Chorismatasen mitgewirkt. Sie untersucht ihre dreidimensionale Struktur, um Rückschlüsse auf die Arbeitsweise dieser Enzyme ziehen und langfristig vielleicht selbst Bausteine für die Biosynthese von Naturstoffen basteln zu können.

Jun.-Prof. Dr. Jennifer Andexer nimmt es mit den Chorismatasen auf. © Dr. Jennifer Andexer, Universität Freiburg

Pflanzen, Pilze und Bakterien nutzen die Chorisminsäure oder das Chorismat, das Salz der Säure, für die Produktion von aromatischen Aminosäuren wie Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan. Tieren fehlt dieser Stoffwechselweg. Deshalb ist Chorismat als Baustein ebenso in der medizinischen Forschung interessant wie die ihn umsetzenden Enzyme, zum Beispiel die Chorismatasen, wenn es darum geht, neue Ansatzstellen für Wirkstoffe zu finden.

So wie die Mutagenese, die gerichtete molekulare Veränderung von Enzymen, verbesserte Biokatalysatoren hervorbringt, soll nun die Mutasynthese - eine Kombination aus Synthetischer Biologie und chemischer Synthese - eine Sammlung an verbesserten Naturstoffen liefern. Die Idee ist, durch die Manipulation biosynthetischer Wege Stoffderivate mit anderen zytotoxischen oder antibiotischen Eigenschaften und mit gegebenenfalls weniger Nebenwirkungen zu kreieren.

Laut Juniorprofessorin Dr. Jennifer Andexer vom Institut für Pharmazeutische Wissenschaften der Universität Freiburg ist das Verständnis für das Enzym die Voraussetzung für ein solches rationales Design, bei dem Moleküle gezielt durch molekulare Modellierung entworfen werden. Ihr Projekt wird im Juniorprofessoren-Programm des Landes Baden-Württemberg seit Oktober 2013 mit einer Förderung über drei Jahre unterstützt. In ihrer ehemaligen Arbeitsgruppe in Cambridge war Andexer an der Entdeckung der Chorismatasen beteiligt. Während die dortigen Forscher weiterhin vor allem komplette Biosynthesewege analysieren, konzentriert sich die Juniorprofessorin hier vermehrt auf Charakteristika und Funktionen der Enzyme selbst.

Kleine Unterschiede - andere Wirkweise

Aufbau der Chorismatase FkbO im 3D-Bändermodell. Grüne Pfeile: β-Faltblatt-Struktur der Polypeptide, blau: α-Helices, rot: aktives Zentrum © Dr. Jennifer Andexer, Universität Freiburg

„Wir nehmen einzelne Enzyme aus dem Biosyntheseweg heraus und schauen uns ihre Struktur genau an“, erklärt die Biologin, „denn der dreidimensionale Aufbau eines Enzyms hängt sehr stark mit dem Mechanismus zusammen, wie es funktioniert.“ Interessant ist, dass Chorismatasen meist Teil großer Biosynthesecluster mit zahlreichen Enzymen sind, die alle gemeinsam wie an einem Fließband arbeiten, an dessen Ende sehr große Moleküle wie Rapamycin oder Tacrolimus stehen. Chorismat selbst (choris, griech.: Zweig) nimmt dabei eine zentrale Rolle ein und ist Verzweigungspunkt von vielen enzymatischen Reaktionen, die eine große Zahl sehr unterschiedlicher Substanzen mit Ringstrukturen hervorbringen. So resultieren aus dem Shikimisäureweg, dessen Bestandteil Chorismat ist, neben den für den Menschen essenziellen Aminosäuren auch Ubichinone, Vitamin K und E, Folsäure, Anthocyane und Salicylsäure.

Andexer weiß, dass es nicht bloß eine, sondern eine ganze Reihe verschiedener Enzyme gibt, die Chorismat umsetzen, und möchte ihre Funktionsweise erforschen: „Uns interessiert, wie und warum aus dem Chorismat verschiedene Produkte synthetisiert werden und worin sich die verschiedenen Chorismatasen unterscheiden.“ Zwei Chorismatase-Haupttypen konnten sie und ihr Team bereits aus Streptomyceten isolieren und identifizieren. Je nach Produkt, das neben Pyruvat durch die Hydrolyse von Chorismat entsteht, ordneten sie die Enzyme entweder dem FkbO-Typ (3,4-Hydroxy-1,5-dien-cyclohexansäure) oder dem Hyg5-Typ (3-Hydroxybenzoesäure) zu. Diesen beiden Biokatalysatoren gilt derzeit Andexers Hauptinteresse. Offenbar haben die zwei Enzyme verschiedene 3D-Strukturen und unterschiedliche Mechanismen, nach denen sie mit demselben Substrat - dem Chorismat - arbeiten. „Aber die Aminosäuresequenzen zwischen FkbO und Hyg5 sind extrem ähnlich“, bemerkt die Wissenschaftlerin, „warum machen also diese beiden Enzyme zwei unterschiedliche Dinge - wie schaffen die das?“ Die 3D-Struktur des FkbO-Typs hat das Team in einer Kooperationsarbeit mit kristallographischen Methoden bereits aufgeklärt. Nun kommt noch mehr Fleißarbeit. „Basierend auf der Struktur haben wir postuliert, wie der Mechanismus bei FkbO sein könnte“, sagt Andexer, „und den versuchen wir in laufenden Arbeiten zu beweisen.“

Grundlagenforschung im Vordergrund

Andexers Hauptaugenmerk liegt nach eigener Aussage darauf, Bausteine für bestimmte Synthesewege herzustellen. Der Baustein, der aus der Hydrolyse von Chorismat entsteht (ein trans-Diol), ist aufgrund seiner Chiralität für die Arbeitsgruppe von besonderem Interesse. Ein chirales Molekül kann infolge seiner festgelegten Stereochemie, also der räumlichen Anordnung seiner Atome, durch zum Beispiel Spiegelung nicht zur Selbstabbildung gebracht werden. Diese Moleküle lassen sich chemisch nur mit einem aufwendigen mehrstufigen Prozess herstellen. „Mit FkbO-Chorismatasen lassen sich chirale Moleküle herstellen, die als Bausteine für weitere Synthesen verwendet werden können“, berichtet Andexer, „so können wir chemisch sehr komplexe Syntheseprozesse stark vereinfachen.“

Die nächsten drei Jahre werden in der AG Andexer gut gefüllt sein, denn es gibt noch viele offene Fragen. So gibt es neben den zwei Chorismatasen-Haupttypen offensichtlich noch andere sehr verwandte Enzyme, die es abzugrenzen gilt. Die Wissenschaftler wollen wissen, wie nah beispielsweise Chorismat-Lyasen, -Synthasen und -Mutasen mit FkbO und Hyg5 verwandt sind. Auch hierfür müssen die Forscher zunächst einmal Struktur und Mechanismus vergleichen. Darüber hinaus gibt es eine Isochorismatase, die als natürliches Substrat zwar Isochorismat hat, aber als Nebenreaktion für die Bearbeitung von Chorismat exakt denselben Mechanismus der Chorismatase benutzt. Diese Wege gilt es zu verstehen und die Zusammenhänge zwischen den ganzen Chorismat-abhängigen Enzymen zu finden.

Zu sehen ist ein Reaktionsschema der Chorismatasen
Ausgehend vom Chorismat liefern die Chorismatase-Typen FkbO und Hyg5 unterschiedliche Produkte. © Dr. Jennifer Andexer, Universität Freiburg

Anwendungen: Rapaloge und Tacrologe

Die genaue Kenntnis von Enzymen sowie die Art und Weise, wie sie innerhalb der Biosynthesewege agieren, ist die Grundlage für potenzielle Manipulationen. Die Mutasynthese koppelt die chemische Synthese an die molekulare Biologie, um medizinisch wirksame Produkte zu entwickeln. Viele Immunsuppressiva wie Rapamycin oder Tacrolimus werden von Bakterien unter Zuhilfenahme von Chorismat hergestellt. Knockt man gezielt Komponenten aus und schleust modifizierte Bausteine in die Reaktion ein, so lassen sich veränderte Naturstoffderivate, sogenannte Rapaloge oder Tacrologe produzieren. Diese sind dann mit ihren Eigenschaften als Pharmazeutika in der Therapie besser verträglich oder wirksamer.

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