Universität zu Lübeck - Im Focus das Leben

Prof. Dr. Christian Hübner

Enzyme sind als biologische Katalysatoren an allen Stoffwechselvorgängen im Körper beteiligt. Fehlen Enzyme oder funktionieren sie nicht richtig, können schwere Stoffwechselerkrankungen die Folge sein. Enzyme spielen aber auch eine immer größere Rolle in industriellen Prozessen, von der Reinigung und dem Abbau von Schadstoffen bis hin zur Herstellung von Biokraftstoffen. Die Untersuchung der Arbeitsweise von Enzymen ist aus diesem Grund Gegenstand intensiver Forschung.

Enzyme gehören zu den Eiweißen (Proteinen). Ihre Funktion ist eng mit ihrer Form (Struktur) verknüpft. Diese Struktur ist nicht starr. Vielmehr sind gerade Änderungen der Struktur, so genannte Konformationsänderungen, bei vielen Proteinen essentiell. Bisher war man davon ausgegangen, dass solche Konformationsänderungen stets durch chemische Prozesse ausgelöst werden, etwa die Bindung eines Substrates (eines Stoffes, dessen chemische Reaktion vom Enzym katalysiert wird).

Die Gruppe um Dorothee Kern von der Brandeis-Universität bei Boston und Christian Hübner, der die Forschung an der Martin-Luther-Universität in Halle begonnen hat, konnte nun zum ersten Mal mit einer ganzen Reihe von Techniken den Nachweis führen, dass diese Konformationsänderungen auch spontan ablaufen können. In ihrer Arbeit, die am 6. Dezember 2008 im renommierten Wissenschaftsjournal Nature erscheint, untersuchten die Forscher die Adenylatkinase, ein Enzym, das für die Aufrechterhaltung der Konzentration von ATP, der Energie-“Währung“ in unserem Körper, notwendig ist.

Experimente der Kernspinresonanzspektroskopie, der Röntgenkristallographie sowie die Moleküldynamiksimulation gaben die ersten Hinweise auf eine solche Bewegung. Allen diesen Methoden haftet jedoch der Nachteil an, dass immer eine große Zahl von Enzymen gleichzeitig beobachtet wird, die natürlich keine synchronen Bewegungen vollführen. Die Gruppe um Christian Hübner, deren Forschung durch eine Förderung der Volkswagenstiftung ermöglicht wurde, konnte diese Bewegung mit Hilfe einer neuen Fluoreszenzmethode, der Einzelmolekülfluoreszenzspektroskopie, sichtbar machen. Der entscheidende Vorteil dieser Methode ist, dass sie das einzelne Enzym direkt beobachten und damit die Konformationsänderung verfolgen kann.

Das Auftreten solcher spontaner Formänderungen war schon vermutet worden; jetzt konnten sie erstmals experimentell nachgewiesen werden. Dieser Nachweis ist von fundamentaler Bedeutung für unser Verständnis von der Funktion von Enzymen. Er könnte uns helfen, mittels genetischer Methoden die Funktion von Enzymen für industrielle Anwendungen zu optimieren, um zum Beispiel die Herstellung von Bioethanol als nachwachsendem Treibstoff effizienter zu machen.