Supersnelle techniek meet heem-enzymreactie terwijl het gebeurt

Nieuws - 23 december 2021 - Communication TNW

Onderzoekers van de TU Delft hebben een onverwacht nieuw enzymintermediair aan het werk gevonden in enzymen die heem bevatten, een cofactor die van vitaal belang is voor veel processen in ons lichaam zoals het afbreken van gifstoffen in de lever. De onderzoekers maakten gebruik van nieuwe, snelle technieken, die minder invasief zijn dan bestaande methoden. De resultaten, gepubliceerd in ACS Catalysis, vergroten ons inzicht in heemeiwitten en enzymen en hoe ze kunnen worden ontwikkeld.

De onderzoekers slaagden erin het heem-enzym chlorietdismutase te meten terwijl de reactie plaatsvond. Door het enzym in real time te meten, vonden de onderzoekers bewijs voor een aminozuur-biradicaal intermediair. Hiervoor gebruikten ze dezelfde technieken waarmee zij eerder tussenvormen hadden gevonden in koperbindingen aan eiwitten. Aangezien de enzymreactie in minder dan een milliseconde voorbij is, maakten zij gebruik van technieken op een tijdschaal van microseconden voor ultrasnel mengen (die de onderzoekers MHQ noemen) en spectroscopie (die zij Nanospec noemen).

De vele functies van heem-enzymen

De resultaten werpen enig licht op het mysterie hoe enzymen die dezelfde heemcofactor gebruiken, zoveel verschillende functies kunnen vervullen. Hoofdonderzoeker Peter-Leon Hagedoorn legt uit: "Ongeveer 1% van al onze genen codeert voor heem-bevattende eiwitten. Deze eiwitten hebben zeer verschillende functies, van het binden van O2 (hemoglobine) tot het oxidatief afbreken van gifstoffen in de lever. Als we precies weten hoe dat enzymatische proces werkt, kunnen we beginnen met het ontwerpen van eigen enzymen."

3D-geprint model van het enzym chlorietdismutase met zijn zes subeenheden in verschillende kleuren, die elk een heemcofactor bevatten. Beeld: Peter-Leon Hagedoorn.

De reactie die door het enzym chlorietdismutase wordt gekatalyseerd, is van bijzonder belang omdat daarbij een O=O binding wordt gevormd, iets dat buiten de fotosynthese zeldzaam is. Het enzym heeft ook potentiƫle biotechnologische toepassingen, bijvoorbeeld zuurstofproductie uit chloriet, wat nuttig kan zijn voor de synthetische biologie. De nieuwe techniek kan worden gebruikt om het mechanisme van veel andere enzymen ook met hun natuurlijke substraten te meten, zonder de noodzaak van vervelende oxiderende chemicaliƫn als kunstmatig substraat dat de enzymen uiteindelijk vernietigt.

Zuivering van het heem-enzym chlorietdismutase: monsters genomen tijdens de zuivering van chlorietdismutase vertoonden de karakteristieke rode kleur van heemeiwitten, zoals de hemoglobine in ons bloed. Beeld: Peter-Leon Hagedoorn.

Dr Peter-Leon Hagedoorn

Meer informatie over de apparaten


Het Nanospec-apparaat, een continue UV-zichtbaarheidspectrometer met een tijdschaal van microseconden. Het apparaat mengt enzym en substraat snel in minder dan vier microseconden, waarna het mengsel een observatievenster passeert dat continu het UV-zichtbaar (kleur)spectrum registreert op verschillende posities, die verschillende tijdstippen vertegenwoordigen. Beeld: Peter-Leon Hagedoorn.
Het MHQ-apparaat, dat wordt gebruikt om enzym en substraat snel te mengen en te bevriezen in een tijdschaal van microseconden tot milliseconden. Het bevroren monster kan worden geanalyseerd met behulp van veel verschillende spectroscopische technieken, zoals Elektronen Paramagnetische Resonantie (EPR) spectroscopie. Beeld: Peter-Leon Hagedoorn.
/* */