Detektivarbeit von Molekularbiologen und Bioinformatikern

Forscher der Universität Leipzig haben ein Rätsel in der Evolution bakterieller Enzyme gelöst. Durch die Rekonstruktion eines Kandidaten für eine spezielle RNA-Polymerase, wie sie vor etwa 2 Milliarden Jahren existierte, konnten sie eine bis dahin rätselhafte Eigenschaft entsprechender moderner Enzyme erklären.

Anders als ihre Vorfahren arbeiten sie nicht kontinuierlich und sind damit wesentlich effektiver – diese Aktivitätspausen stellen einen evolutionären Fortschritt dar. Möglich wurde die Rekonstruktion des Proteins aus prähistorischer Zeit durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit von molekularer Biochemie und Bioinformatik.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Molekularbiologie und Evolution. Bei den untersuchten Enzymen handelt es sich um tRNA-Nukleotidyltransferasen: Enzyme, die drei Nukleotidbausteine ​​in der Sequenz CCA an kleine RNAs in der Zelle (sogenannte Transfer-RNAs) anheften, um diese anschließend mit Aminosäuren für die Proteinsynthese zu versorgen.

Durch phylogenetische Rekonstruktionen rekonstruierte ein Forscherteam um Professor Mario Mörl (Biochemie) und Professor Sonja Prohaska (Bioinformatik) einen Kandidaten für ein solches Ur-Enzym, wie es vor etwa 2 Milliarden Jahren in Bakterien existierte. Anschließend verglich das Forscherteam die Eigenschaften der rekonstruierten RNA-Polymerase mit denen eines modernen bakteriellen Enzyms.

Beide Enzyme arbeiten ähnlich präzise, ​​zeigen aber deutliche Reaktionsunterschiede. Bisher war es nicht möglich, die Tendenz moderner Enzyme, ihre Aktivität immer wieder zu unterbrechen, als evolutionären Vorteil zu erkennen. Dieses Phänomen hatte Biochemiker jahrzehntelang verwirrt. Erst im Vergleich mit der Wirkungsweise des rekonstruierten Enzyms ist das Rätsel nun gelöst.

Das Ur-Enzym ist prozessiv, dh es arbeitet ohne Unterbrechung, entfernt aber hin und wieder bereits richtig angefügte Nukleotidbausteine. Die Ergebnisse zeigen, dass man aus Enzymrekonstruktionen viel über die Evolution und Eigenschaften moderner Enzyme lernen kann und dass viele Fragen nur im Zusammenspiel von Bioinformatik und Biochemie gelöst werden können – im Hin und Her zwischen Computerrechnungen und Laborexperimenten.

Durch das Aufspüren von Beziehungen in die Vergangenheit schweben

Anhand von Gensequenzen können auch evolutionäre Stammbäume von Bakterien erstellt werden. Ausgehend von der heutigen großen Vielfalt an Organismen in einem Artenbaum lässt sich der Evolutionsweg einzelner Gene entlang von Verwandtschaften und Verzweigungen rekonstruieren und akribisch auf einen gemeinsamen Ursprung zurückführen.

Die Rekonstruktion ist im Wesentlichen ein dreistufiger Prozess. Zunächst werden Datenbanken nach entsprechenden modernen Enzymen durchsucht, um die Abfolge von Aminosäurebausteinen untersuchen zu können. Mit den erhaltenen Sequenzen kann dann berechnet werden, wie die ursprüngliche Sequenz hätte aussehen sollen. Die entsprechende Gensequenz, die für das alte Enzym kodiert, wird dann in Laborbakterien eingeschleust, damit diese das gewünschte Protein bilden. Das Enzym kann dann im Detail auf seine Eigenschaften untersucht und mit modernen Enzymen verglichen werden.

„Als aus dem Labor die Nachricht kam, dass das rekonstruierte Enzym die CCA-Addition durchführt, und das sogar in einem größeren Temperaturbereich als heutige Enzyme, war das der Durchbruch“, erinnert sich Sonja Prohaska.

Evolutionäre Optimierung: Aktivitätspausen steigern die Effizienz

Wie Organismen werden auch Enzyme durch die Evolution optimiert. Die Arbeit (Katalyse) eines Enzyms läuft in der Regel umso schneller und besser ab, je stärker es sein Substrat binden kann. Das rekonstruierte Ur-Enzym tut genau das, es hält sich an das Substrat, die tRNA, und heftet die drei CCA-Nukleotide nacheinander an, ohne sie loszulassen.

Moderne tRNA-Nukleotidyltransferasen hingegen sind distributiv, dh sie arbeiten stufenweise mit Pausen, in denen sie ihr Substrat immer wieder abgeben. Trotzdem sind sie effizienter und schneller als ihre angestammten Vorgänger. Das verwirrte die Forscher. Warum geben moderne Enzyme ihr Substrat immer wieder ab?

Die Erklärung liegt im Phänomen der Rückreaktion, bei der die eingebauten Nukleotide durch das Enzym wieder entfernt werden. Während die starke Bindung des angestammten Enzyms an das Substrat zur anschließenden Entfernung führt, wird die Rückreaktion in modernen Enzymen durch das Loslassen des Substrats fast vollständig verhindert. Dadurch können sie effizienter arbeiten als ihre Vorgänger.

„Wir konnten nun endlich erklären, warum moderne tRNA-Nukleotidyltransferasen trotz ihres distributiven Charakters so effizient arbeiten“, sagt Mario Mörl. „Der Befund hat uns im Team völlig überrascht. Damit hatten wir nicht gerechnet. Die Frage hatten wir schon vor 20 Jahren und jetzt können wir sie mit bioinformatischen Rekonstruktionsmethoden endlich beantworten Leipzig seit mehreren Jahren und hat sich nicht zum ersten Mal als großer Vorteil für beide Seiten erwiesen.“