Onderzoekers uit de Verenigde Staten, Thailand, Nederland (waaronder de leerstoelgroep Biochemie van Wageningen Universiteit) en Italië, hebben in een veel gebruikt enzymmodel ontrafeld hoe zuurstof het actieve centrum van enzymen bereikt. Zuurstof blijkt langs diverse tunnels door de eiwitlaag van het enzym heen te gaan, maar deze tunnels komen uiteindelijk alle uit op eenzelfde toegangspoort van het actieve centrum. De verkregen inzichten zullen helpen om zuurstofgebruikende enzymen te verbeteren of nieuwe te ontwerpen. Deze kunnen worden toegepast voor het laten verlopen van nieuwe milieuvriendelijke chemische processen. De onderzoekers hebben hun bevindingen gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Enzymen zijn uitermate effectieve katalysatoren die voor een breed scala aan toepassingen ingezet kunnen worden. Voor iedere afzonderlijke toepassing is echter een enzym nodig met specifieke gewenste eigenschappen. Natuurlijke enzymen die hieraan voldoen zijn maar beperkt beschikbaar. Daarom bestaat er veel belangstelling voor genetisch aangepaste enzymen. Hoewel hiervoor krachtige methodes zijn ontwikkeld, is het nog steeds uitermate complex om enzymen met specifiek gewenste eigenschappen te maken.

De praktijk heeft laten zien dat vooral mutaties in het actieve centrum van een enzym effect sorteren. Dat vereist een grondige kennis van het functioneren van het actieve centrum. Veel enzymen hebben voor hun functie zuurstof nodig. Het actieve centrum van dergelijke enzymen zit meestal verborgen binnen in het enzym. Tot voor kort was het onduidelijk hoe deze enzymen “ademen”: hoe bereiken zuurstofmoleculen, zonder moleculair navigatiesysteem de actieve centra? Gebeurt dit via willekeurige diffusie door de eiwitlaag van het enzym óf langs één of meer specifieke tunnels voor zuurstoftransport? Hier bestond geen duidelijkheid over.

Zuurstoftransport ontrafeld
Onderzoekers van laboratoria in de Verenigde Staten, Thailand, Nederland (Groningen en Wageningen) en Italië hebben nu door een combinatie van (1) opheldering van enzymstructuren, (2) berekeningen van zuurstofdiffusie op atomaire schaal en (3) metingen van de enzymkinetiek bij flavo-enzymen kunnen achterhalen dat zuurstof via slechts enkele specifieke kanalen, gelokaliseerd in afzonderlijke delen van de enzymstructuren, het actieve centrum bereikt. Terwijl er verscheidene zuurstoftunnels blijken te zijn, komen de uitgangen van deze tunnels allemaal uit op éénzelfde toegangspoort van het actieve centrum. Door de opgedane kennis is het nu bijvoorbeeld gemakkelijker om nieuwe zuurstof-gebruikende enzymen te verbeteren of te ontwerpen. Dergelijke oxidatieve enzymen (biokatalysatoren) zijn uitermate interessant voor het opzetten van nieuwe milieuvriendelijke chemische processen.

Het onderzoek is mede mogelijk gemaakt door een projectsubsidie van Technologiestichting STW.

Bron: WUR