Livspussel på atomnivå – hur ett enzym lär sig växla mellan två funktioner

I studien har forskarna studerat de specifika förändringar som sker i ett protein när det utvecklas från sin ursprungliga funktion till att utföra en ny enzymatisk funktion, eller till att kunna kombinera de båda. De nya proteinerna som studerats togs fram i tidigare studier där bakterier var beroende av den nya funktionen för att kunna växa.

Proteinerna delades upp i tre grupper efter olika funktioner. Samtliga renades från bakterier och studerades med avseende på sin struktur på atomnivå (röntgenkristallografi), sin dynamik (NMR), sin prestanda (kinetikmätningar) och sin koncentration i cellen (masspektrometri).

– Vår studie visar att den nya funktionen hos enzymet HisA utvecklades genom att de rörliga delarna av enzymet som måste öppnas och stängas på ett specifikt sätt kring substratet, nu istället stängdes på ett annat sätt kring ett annat substrat. Enzymvarianter som kunde utföra två funktioner i cellen var mer rörliga, så de två substraten kunde tävla om enzymets ”uppmärksamhet” och utnyttja de två olika varianterna av stängt enzym för att omvandlas till produkt, säger Maria Selmer, professor vid Uppsala universitet och en av studiens huvudansvariga.

Enzymer kunde också förlora den ursprungliga aktiviteten genom förändringar som gjorde enzymet mindre rörligt eller bara tillät det nya, mindre, substratet att binda.

– Den här typen av proteinstruktur (så kallad ”(βα)8-tunna”) är en av de vanligaste hos enzymer. Våra resultat ger exempel på hur nya funktioner kan utvecklas med relativt små förändringar, säger Annika Söderholm, doktorand vid Uppsala universitet och medförfattare av studien.

Den aktuella studien från atom- till cellnivå är en av de mest detaljerade analyser som gjorts av ett enzym som utvecklats till att ha en ny funktion och den har gett oss många nya och oväntade insikter. Till exempel verkar de studerade enzymerna ha en ”överkapacitet” så att enzymets aktivitet är högre än det behöver vara för att bakteriecellerna ska kunna växa med normal hastighet.

– Det är anmärkningsvärt att så många olika typer av mutationer kan leda till en ny effektiv funktion. Det betyder också att vi just nu har mycket svårt att förutsäga vilken potential ett existerande enzym med en viss funktion har att utveckla en ny aktivitet, säger Dan I. Andersson, professor vid Uppsala universitet som också arbetat med studien.

Forskningen har finansierats av Vetenskapsrådet.

Studien har publicerats i den vetenskapliga tidskriften PNAS:
Newton M. et al., "Structural and functional innovations in the real-time evolution of new (βα)8 barrel enzymes", PNAS, 17 april 2017, DOI10.1073/pnas.1618552114