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 Naturchemie.
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. Ein solches Werkzeug aus der Natur haben Forscher des PSI nun detailliert charakterisiert: das Enzym Styroloxid-Isomerase. Es handelt sich um die biologische Version der Meinwald-Reaktion, einer wichtigen chemischen Reaktion in der organischen Chemie.
„Das vor Jahrzehnten entdeckte Enzym wird von Bakterien hergestellt“, sagt Richard Kammerer vom Biomolekularen Forschungslabor des PSI. Sein Kollege Xiaodan Li ergänzt: „Da die Funktionsweise jedoch nicht bekannt war, war die praktische Anwendung bisher begrenzt.“ Die beiden Forscher und ihr Team haben die Struktur und Funktionsweise des Enzyms aufgeklärt.
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. Zusammen mit zwei weiteren Enzymen ermöglicht es das Wachstum bestimmter Umweltbakterien auf dem Kohlenwasserstoff Styrol.
Die Styroloxid-Isomerase katalysiert einen ganz bestimmten Schritt der Reaktion: Sie spaltet im Styroloxid einen Dreiring, der aus einem Sauerstoff- und zwei Kohlenstoffatomen besteht, ein sogenanntes Epoxid. Dadurch ist das Enzym 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 liegt 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 – sie ist besonders wichtig für die Erzeugung von Vorläufermolekülen für Medikamente.
„Das Enzym ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie die Natur chemische Reaktionen auf einfache und geniale Weise ermöglicht“, sagt Li.
Bei ihren Untersuchungen, die sie teilweise an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS durchführten, entdeckten die PSI-Forschenden das Geheimnis des Enzyms: eine eisenhaltige Gruppe in seinem Inneren, ähnlich dem eisenhaltigen Pigment in unseren roten Blutkörperchen. Diese Hämgruppe bindet den Epoxidring und macht die Reaktion dadurch so einfach und effizient.
Weitere Teile der Untersuchungen wurden von der Gruppe von Volodymyr Korkhov, ebenfalls vom PSI-Labor für biomolekulare Forschung und außerordentlicher Professor im Departement Biologie der ETH Zürich, mittels Kryo-Elektronenmikroskopie durchgeführt.
Li und Kammerer sind sich sicher, 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 für Medikamente und wichtige Chemikalien herstellen.
Li fügt hinzu: „Das Enzym könnte möglicherweise so verändert werden, dass es sehr viele neue Substanzen produzieren kann.“
Darüber hinaus ist das Enzym sehr stabil und eignet sich daher für großtechnische Anwendungen.
„Es wird sicherlich ein neues, wichtiges Werkzeug für die Kreislaufwirtschaft und die grüne Chemie werden“, sind die PSI-Forschenden überzeugt.
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Strukturelle Grundlagen der durch Styroloxid-Isomerase katalysierten Meinwald-Umlagerung, Naturchemie (2024). DOI: 10.1038/s41557-024-01523-y