Enzyme sind Proteine, die chemische Reaktionen beschleunigen. Ihre räumliche Struktur beeinflusst, welche Moleküle an sie binden und wie gut eine Reaktion abläuft. Das macht Enzyme für die Biotechnologie interessant, weil sich ihre Eigenschaften für gezielte chemische Reaktionen nutzen lassen. Das internationale Forschungsteam um Dr. Bernhard Loll vom Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie der Freien Universität Berlin, Prof. Dr. Robert Kourist (Technische Universität Graz) und Prof. Lynn Kamerlin, PhD (Georgia Institute of Technology) untersuchte eine Gruppe pflanzlicher Enzyme, die Borneol-Dehydrogenasen. Sie wandeln den Alkohol Borneol durch eine chemische Reaktion in Campher um. Borneol kommt in zwei spiegelbildlichen Formen vor – vergleichbar mit einer linken und einer rechten Hand. Einige dieser Enzyme setzen eine der beiden Formen deutlich besser um als die andere, während andere kaum einen Unterschied machen.
„Wir konnten zeigen, wie sich die unterschiedliche Reaktion auf die beiden Borneol-Formen im Laufe der Entwicklungsgeschichte der Enzyme herausgebildet haben kann. Entscheidend ist dabei nicht eine große Veränderung der Form des Enzyms, sondern das Zusammenspiel vieler kleiner Veränderungen, die beeinflussen, wie sich das Enzym und das gebundene Molekül bewegen. Das liefert zugleich wichtige Hinweise dafür, wie sich Enzyme künftig gezielt für biotechnologische Anwendungen verändern lassen“, erklärt Dr. Bernhard Loll von der Freien Universität Berlin und einer der Autoren der Studie.
Die Forschenden wollten wissen, wie dieser Unterschied im Laufe der Entwicklungsgeschichte dieser Enzyme entstanden ist. Dafür rekonstruierten sie anhand der Sequenzen von 97 pflanzlichen Enzymen ältere Formen der Borneol-Dehydrogenasen. Diese rekonstruierten Vorfahren stellten sie im Labor her und verglichen ihre Eigenschaften. Dabei zeigte sich: Ein sehr altes Enzym, N30, setzte die beiden Borneol-Formen ähnlich um. Ein jüngeres Enzym, N32, reagierte dagegen deutlich stärker mit einer der beiden Formen. Zwischen beiden Enzymen lagen 19 Veränderungen einzelner Aminosäuren – der Bausteine von Proteinen. Eine dieser Veränderungen lag direkt im aktiven Zentrum, also dort, wo die chemische Reaktion stattfindet. Sie erwies sich als wichtig: Wurde sie in das ältere Enzym eingebaut, verdoppelte sich der Unterschied zwischen den beiden Borneol-Formen. Wurde sie im jüngeren Enzym rückgängig gemacht, ging der Unterschied wieder verloren.
Damit war die Entwicklung aber noch nicht vollständig erklärt. Erst drei weitere Veränderungen an anderen Stellen des Proteins führten dazu, dass das ältere Enzym eine der beiden Borneol-Formen deutlich stärker umsetzte. Die Forschenden zeigen damit, dass auch Bereiche eines Enzyms, die vom eigentlichen Reaktionszentrum entfernt liegen, die chemische Reaktion beeinflussen können.
Bewegung erklärt den Unterschied
Die räumlichen Strukturen der rekonstruierten Enzyme lieferten zunächst keine offensichtliche Erklärung für die unterschiedliche Reaktion. Computersimulationen zeigten jedoch, dass sich die beiden Borneol-Formen im Enzym unterschiedlich verhalten. Die Form, mit der das Enzym besser reagiert, bleibt länger in einer Position, in der die chemische Reaktion stattfinden kann. Die andere Form wird weniger fest gebunden und ist stärker dem umgebenden Wasser ausgesetzt. Entscheidend ist demnach keine große Veränderung der Form des Enzyms, sondern das Zusammenspiel vieler kleiner Veränderungen, die beeinflussen, wie sich das Enzym und das gebundene Molekül bewegen.
Die Ergebnisse zeigen damit, wie sich die unterschiedliche Reaktion auf die beiden Borneol-Formen im Laufe der Entwicklungsgeschichte der Enzyme herausgebildet haben kann: Ausgehend von einem Enzym, das die beiden Formen ähnlich umsetzte, führten Veränderungen an mehreren Stellen des Proteins dazu, dass eine Form deutlich besser umgesetzt wird.
Bedeutung für die Biotechnologie
Borneol und seine spiegelbildliche Form Isoborneol können als Gemisch aus α-Pinen gewonnen werden, einem kostengünstigen Ausgangsstoff aus nachwachsenden Rohstoffen. Enzyme, die eine der beiden Formen gezielt stärker umsetzen, könnten deshalb helfen, einzelne Molekülformen für Anwendungen in Arzneimitteln, Kosmetika und Duftstoffen herzustellen oder aus einem Gemisch abzutrennen. Die Studie liefert zugleich Hinweise für die Entwicklung solcher Enzyme: Wer ihre Eigenschaften gezielt verändern möchte, sollte nicht nur die unmittelbare Reaktionsstelle untersuchen. Auch Veränderungen an weiter entfernten Stellen können darüber entscheiden, wie ein Enzym mit unterschiedlichen Formen eines Moleküls reagiert.
Freie Universität Berlin
Originalpublikation:
Zuson, J., Helmer, C.P.O., Di Geronimo, B. et al. Deciphering the evolutionary origin of the enantioselectivity of short-chain dehydrogenases from plants toward 1-borneol. Nat Commun17, 9858 (2026). doi.org/10.1038/s41467-026-76435-1
