Neue Studie zeigt die überlegene Fähigkeit von an Lysozym gekoppeltem Kupfer zur Entfernung reaktiver Sauerstoffspezies

In aeroben Organismen werden bei der aeroben Atmung reaktive Sauerstoffspezies (ROS) wie Hydroxid (OH), Singulettsauerstoff (1O2), Wasserstoffperoxid (H2O2) und Superoxidionen (O2–) erzeugt, die schwere oxidative Schäden an Biomolekülen verursachen im Körper. Daher ist die Entfernung von ROS, insbesondere von O2–, von größter Bedeutung, da es mit H+ reagiert und andere toxische ROS-Spezies wie H2O2 und OH erzeugt.

Dies wird durch Metalloenzyme namens Superoxiddismutasen (SODs) erreicht. Diese Enzyme besitzen Metallionen (wie Ni, Fe, Mn, Cu und Zn) in ihren aktiven Zentren, die die Zersetzung von O2– zu H2O2 und O2 katalysieren. In diesem Zusammenhang haben Cu(II)-Komplexe mit niedrigem Molekulargewicht als funktionelle SOD-Modelle mit hoher SOD-Aktivität an Bedeutung gewonnen. Allerdings sind sie durch ihre Tendenz, nach der Freisetzung von Cu(II) toxisch für die Biomoleküle zu werden, begrenzt.

In einer aktuellen Studie hat eine Forschergruppe unter der Leitung von Assistenzprofessor Daisuke Nakane und Professor Takashiro Akitsu vom Fachbereich Chemie der Tokyo University of Science (TUS) einen neuartigen Metall-Protein-Hybridkomplex mit erhöhter ROS-Aktivität entwickelt. Sie koppelten das hydrolytische Enzym Lysozym mit dem SOD-aktiven Cu(II)-Komplex, um das Hybridlysozym CuST@Lysozym zu bilden, das eine vielversprechende SOD-Aktivität, aber eine geringe Biotoxizität zeigte.

„Wir untersuchten die Bildung eines Hybridproteins, das aus Lysozym und einem funktionellen SOD-mimetischen Cu(II)-Komplex besteht. Wir entschieden uns für Lysozym aufgrund seiner Stabilität und Kristallinität. Wir gingen davon aus, dass das resultierende SOD-mimetische Hybridprotein die Biokompatibilität und Stabilität verbessern würde.“ des funktionellen SOD-Modell-Cu(II)-Komplexes“, erklärt Dr. Nakane die Begründung für ihre Studie. Die Studie wurde am veröffentlicht Wissenschaftliche Berichte.

Durch detaillierte kristallographische und spektroskopische Analysen bestätigte das Forschungsteam, zu dem unter anderem auch Assistenzprofessor Kenichi Kitanishi von der TUS, Dr. Arshak Tsaturyan von der Southern Federal University und Professor Masaki Unno von der Ibaraki-Universität gehörten, die Bildung des Hybridproteins CuST@ Lysozym und klärte seine Struktur auf.

Sie berichten, dass die His15-Imidazolgruppe des Lysozyms in äquatorialer Position an das Cu(II)-Zentrum von CuST bindet, während die CuST-Einheit axial durch mehrere schwache Koordinations- und Wasserstoffbrückenbindungen fixiert ist. Darüber hinaus legen sie auch nahe, dass O2– an das Cu(II)-Zentrum koordinieren kann. Durch Tests stellten die Forscher eine hohe SOD-Aktivität und Stabilität des biokompatiblen CuST@Lysozym-Hybridproteinkomplexes fest.

Basierend auf ihren spektroskopischen und Quantenberechnungen schlägt das Team einen fünfstufigen Mechanismus der O2-Disproportionierung durch den Komplex vor. Diese Schritte sind (1) Cu(II)-Ruhezustand, (2) O2-bindender Cu(II)-Zustand, (3) Cu(I)-Ruhezustand nach Protonierung des Carboxylatliganden, (4) O2-wechselwirkendes Cu (I)-Zustand und (5) H2O2-wechselwirkender Cu(II)-Zustand.

Sie schlagen außerdem vor, dass die Stabilität des Komplexes verbessert werden kann, indem die Ligandendissoziation durch die Verwendung von Komplexen später Übergangsmetalle zur Bindung von Lysozym unterdrückt, die Wechselwirkung zwischen den Komplexen und Lysozym durch die Verwendung von Liganden mit Wasserstoffbrückenbindungseinheiten erhöht und saure funktionelle Gruppen eingeführt werden wirken den grundlegenden Seitenketten von Lysozym entgegen.

Die Studie stellt eine neue Klasse aktiver SOD-Hybridproteinkomplexe vor, die biokompatibel sind und nach der Zersetzung des mimetischen Komplexes keine Nebenreaktionen mit Körperflüssigkeiten zeigen. „Wir haben die Stabilität der Metall-Lysozym-Komposite gezielt verbessert, insbesondere in biologischen Flüssigkeiten wie Plasma und Zytosol. Dies sollte den Weg für tiefere Diskussionen über ihre therapeutischen Anwendungen ebnen“, schließt Prof. Akitsu.