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Forscher ahmen molekulares Gedränge nach
Enzyme verhalten sich im geräumigen Reagenzglas anders als im molekularen Gedränge einer lebenden Zelle. Chemiker der Universität Basel konnten diese engen Bedingungen nun erstmals in künstlichen Vesikeln naturgetreu simulieren. Die Erkenntnisse helfen der Weiterentwicklung von Nanoreaktoren und künstlichen Organellen, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Small».
01. März 2017
Im Inneren einer Zelle herrscht dichtes Gedränge. Neben hunderttausenden Makromolekülen wie Proteinen tummelt sich eine Unzahl an DNA, RNA und kleineren Molekülen und bilden eine dickflüssige Wasserlösung. Diese Enge nennt man in der Wissenschaft «molecular crowding». Der Effekt kann dazu führen, dass sich einige Eigenschaften eines Moleküls wesentlich verändern.
Das Verhalten eines «freien» Proteins oder Enzyms in einem Reagenzglas lässt sich also nicht unbedingt auf die natürlichen Vorgänge übertragen, da die Viskosität innerhalb einer lebenden Zelle viel höher ist als in einer normalen Wasserlösung. Im Labor konnte bisher allerdings nur die hohe Konzentration an Molekülen nachgeahmt werden, nicht aber gleichzeitig der geschlossene Raum wie beispielsweise in einer Zelle.
Mutter Natur nachahmen
Ein Forscherteam um Prof. Wolfgang Meier von der Universität Basel hat nun ein System entwickelt, welches dem natürlichen Vorbild einen wesentlichen Schritt näherkommt, indem es erstmals den Crowding-Effekt innerhalb eines geschlossenen Vesikels simuliert hat. «Das Milieu innerhalb einer Zelle wirkt sich wesentlich auf die stattfindenden chemischen Reaktionen aus, weshalb wir dieses so naturgetreu wie möglich nachahmen wollen», so Meier.
Um die zelluläre Umgebung nachzubauen, stellten die Forscher vom Departement Chemie nanoskopische Vesikel her, sogenannte Polymersome, und beluden diese mit dem Enzym Meerrettichperoxidase, sowie einer hochviskosen Lösung als Crowding-Komponente. Dadurch liess sich zum ersten Mal die Kinetik von chemischen Reaktionen durch ein bestimmtes Enzym unter Berücksichtigung von «molecular crowding» und in einem abgeschlossenen Raum bestimmen. Es zeigte sich deutlich, dass beide Faktoren die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen.
Chemische Reaktionsgeschwindigkeit regulieren
«Unser Design berücksichtigt die natürlichen Umgebungsfaktoren, die die Leistung von Enzymen beeinflussen, und bringt uns so wesentlich weiter in der Entwicklung von Nanoreaktoren», sagt Meier. Die Resultate deuten ebenfalls daraufhin, dass sich das Verhalten von Enzymen durch den Einsatz des Crowding-Effekts gezielt regulieren lässt – ein wichtiger Faktor in der Entwicklung künstlicher Organelle für Enzymersatztherapien.
Originalartikel
Patric Baumann, Mariana Spulber, Ozana Fischer, Anja Car, Wolfgang Meier
Investigation of horseradish peroxidase kinetics in an “organelle like” environment
Small (2017), doi: 10.1002/smll.201603943
Weitere Auskünfte
Prof. Dr. Wolfgang P. Meier, Universität Basel, Departement Chemie, Tel. +41 61 207 38 02, E-Mail: Wolfgang.Meier@unibas.ch
NCCR Molecular Systems Engineering
Der NCCR Molecular Systems Engineering ist ein nationaler Forschungsschwerpunkt, der vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) finanziert und von der Universität Basel und der ETH Zürich geleitet wird. Er kombiniert die Disziplinen Chemie, Biologie, Physik mit Bioinformatik und Engineering. Das wissenschaftliche Ziel ist es, molekulare Module zu synthetisieren und in molekularen Fabriken mit annähernd gleicher Komplexität einer Zelle zusammenzubauen. Diese molekularen Fabriken sollen für die industrielle Produktion oder zur Kontrolle zellulärer Systeme im medizinischen Bereich verwendet werden.
