Isotope stärker als bisher angenommen

In einem kürzlich veröffentlichte Studie In Angewandte Chemie Internationale AusgabeForscher der Abteilung für Medizinische Biochemie und Biophysik (MBB) am Karolinska Institutet haben das alte Paradigma rund um Isotope leichter Elemente – Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff – in Frage gestellt. Diese Isotope haben sich mittlerweile als stärker erwiesen, als man dachte.

Traditionell glaubten Wissenschaftler, dass Isotopeneffekte bei biochemischen Reaktionen mehr oder weniger proportional zum Massenunterschied zwischen Isotopen seien. Beispielsweise sollte ein Massenunterschied von 0,5 % zwischen normalen und ultraleichten Enzymen (Moleküle mit abgereicherten schweren Isotopen 13C, 2H, 15N und 18O) einen kinetischen Effekt von nicht mehr als 1 % ergeben. Die Studie zeigt jedoch, dass der Effekt je nach Temperatur 250–300 % betragen kann, was zwei Größenordnungen größer ist als erwartet.

Molekulardynamiksimulationen, die in Tausenden von wissenschaftlichen Veröffentlichungen weit verbreitet sind, haben die Isotopenzusammensetzung stets übersehen. Die Forscher müssen nun ihre Ergebnisse neu kalibrieren und den versteckten Einfluss von Isotopen berücksichtigen.

„Isotopenreine Verbindungen wie Enzyme haben im Vergleich zu herkömmlichen Verbindungen überlegene Eigenschaften. Das betrifft nicht nur die Chemie und Biochemie, sondern auch die Biologie und möglicherweise auch die Medizin“, sagt Roman Zubarev, Professor und Forschungsgruppenleiter in der Roman Zubarev Group am MBB .

Mehrere Bereiche der Wissenschaft und Technologie können unmittelbar betroffen sein. „Erstens können ultraleichte Enzyme sofort durch Expression in E. coli hergestellt werden, die in isotopenarmen Medien gezüchtet werden, wie wir es in dieser Arbeit getan haben. Diese Enzyme arbeiten zwei- bis dreimal schneller als die entsprechenden Enzyme, die von demselben E. coli exprimiert werden, aber gewachsen sind.“ in normalen Medien.

„Zweitens die Anwendung des Ultraleichteffekts in der Biologie – man kann ultraleichte Organismen züchten und ihre abweichenden Eigenschaften untersuchen. Wir haben zum Beispiel C. elegans auf ultraleichten E. coli gezüchtet und festgestellt, dass sie schneller wachsen, aber auch schneller altern und sterben.“

„Drittens kann es im Bereich der Isotopentrennung zu einem enorm erhöhten Bedarf an der Abreicherung schwerer Isotope kommen. Möglicherweise müssen neue Methoden, einschließlich der Chromatographie, entwickelt werden, um diesen Bedarf zu decken und die Kosten für ultraleichte Verbindungen zu senken.“

„Schließlich werden die Techniken zur Analyse stabiler Isotope in Proteinen, wie etwa unsere Fourier-Transform-Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie, verstärktes Interesse finden“, sagt Zubarev.