Forscher charakterisieren genau die Styroloxid-Isomerase, die zur Herstellung „grüner“ Chemikalien und Arzneimittelvorläufer beitragen könnte

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI haben erstmals das Enzym Styroloxid-Isomerase präzise charakterisiert, mit dem sich wertvolle Chemikalien und Medikamentenvorstufen umweltfreundlich herstellen lassen. Die Studie erscheint in der Zeitschrift Natürliche Chemie.

Enzyme sind leistungsstarke Biomoleküle, mit denen sich unter Umgebungsbedingungen viele Substanzen herstellen lassen. Sie ermöglichen eine „grüne“ Chemie, die die Umweltbelastung durch Prozesse der synthetischen Chemie verringert. PSI-Forschende haben nun ein Werkzeug aus der Natur detailliert charakterisiert: das Enzym Styroloxid-Isomerase. Es handelt sich um die biologische Variante der Meinwald-Reaktion, einer wichtigen chemischen Reaktion in der organischen Chemie.

„Das vor Jahrzehnten entdeckte Enzym wird von Bakterien produziert“, erklärt Richard Kammerer vom PSI Biomolecular Research Laboratory. Sein Kollege Xiaodan Li fügt hinzu: „Da aber nicht bekannt war, wie es funktioniert, war seine praktische Anwendung bisher begrenzt.“ » Die beiden Forscher und ihr Team haben die Struktur des Enzyms sowie seine Funktionsweise aufgeklärt.

Ein einfacher Mechanismus für eine komplizierte Reaktion

Mikroorganismen verfügen über spezifische Enzyme, mit denen sie beispielsweise Schadstoffe abbauen und als Nährstoffe nutzen können. Eine davon ist die Styroloxid-Isomerase. In Kombination mit zwei anderen Enzymen ermöglicht es das Wachstum bestimmter Umweltbakterien auf dem Styrol-Kohlenwasserstoff.

Die Styroloxid-Isomerase katalysiert einen ganz bestimmten Schritt der Reaktion: Sie spaltet einen dreigliedrigen Ring im Styroloxid, der aus einem Sauerstoffatom und zwei Kohlenstoffatomen besteht, ein sogenanntes Epoxid. Das Enzym ist also hochspezifisch und erzeugt nur ein Produkt. Darüber hinaus ist es in der Lage, eine Reihe weiterer Stoffe umzuwandeln und so wichtige Vorprodukte für medizinische Anwendungen herzustellen.

Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass bei vielen chemischen Reaktionen sowohl ein Bild als auch ein Spiegelbild einer chemischen Verbindung entsteht, die völlig unterschiedliche biologische Wirkungen haben kann. Dieses Enzym erzeugt jedoch gezielt nur eines der beiden Produkte. In der Chemie nennt man diese Eigenschaft Stereospezifität; Es ist besonders wichtig für die Erzeugung von Arzneimittelvorläufermolekülen.

„Das Enzym ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie die Natur chemische Reaktionen auf einfache und geniale Weise ermöglicht“, sagt Li.

Bei ihrer Forschung, die unter anderem an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS durchgeführt wurde, entdeckten die PSI-Forschenden das Geheimnis des Enzyms: ein eisenhaltiges Cluster im Inneren, ähnlich dem eisenhaltigen Pigment in unseren roten Blutkörperchen. Diese Hämgruppe bindet den Epoxidring und macht die Reaktion so einfach und effizient.

Weitere Teile der Forschung wurden von der Gruppe von Volodymyr Korkhov, ebenfalls vom PSI Biomolecular Research Laboratory und außerordentlicher Professor am Departement Biologie der ETH Zürich, mittels Kryo-Elektronenmikroskopie durchgeführt.

Li und Kammerer sind zuversichtlich, dass sich das Enzym in der chemischen und pharmazeutischen Industrie als äußerst nützlich erweisen wird. „Es ist bisher das einzige bakterielle Enzym, von dem bekannt ist, dass es die Meinwald-Reaktion katalysiert“, betont Kammerer. Mit Hilfe des Enzyms könnte die Industrie unter energiesparenden und umweltfreundlichen Bedingungen Vorläufer wichtiger Medikamente und Chemikalien herstellen.

Li fügt hinzu: „Das Enzym könnte möglicherweise so verändert werden, dass es eine große Anzahl neuer Substanzen produziert.“ »

Darüber hinaus ist das Enzym sehr stabil und daher für großtechnische Anwendungen geeignet.

„Dies wird sicherlich ein wichtiges neues Werkzeug für die Kreislaufwirtschaft und die grüne Chemie werden“, sind die PSI-Forschenden überzeugt.