„Lifandi“ fram: Vatn er virkur leikmaður ensíma

UlVCLUZvcnNjaGVyIGJlcmljaHRlbiBpbiBOYXR1cmUgU3RydWN0dXJhbCAmIE1vbGVjdWxhciBCaW9sb2d5IFdhc3NlciB3aXJrdCBhbHMg4oCeS2xlYmVy4oCcIGluIGJpb2xvZ2lzY2hlbiBFbnp5bS1TdWJzdHJhdC1WZXJiaW5kdW5nZW4=

Í líffræðilega virkum ensím-undirlagssamsetningum, svo sem þeim sem finnast í lyfjum, gegnir vatn meira afgerandi hlutverki en áður var talið. Vatnið í kring virkar eins og „lím“ til að halda undirlagi á réttum stað fyrir ensím. Til að gera þetta er gangur vatnsins hægður. Vísindamenn við RUB í kringum Dr. Martina Havenith (eðlisefnafræði), í nánu samstarfi við vísindamenn undir forystu prófessors Dr. Irit Sagi frá ísraelsku Weizmann stofnuninni getur fylgst með og sannað að hreyfing vatnsins er „lifandi“ í fyrsta skipti. Vísindamennirnir greina frá niðurstöðum sínum í „Nature Structural & Molecular Biology“.

Hvaða hlutverki gegnir leysirinn?

Ensím eru náttúruleg efni sem flýta fyrir og stjórna efnaskiptaferlum í líkamanum. Til dæmis eru þau mikilvæg fyrir ónæmiskerfið vegna þess að þau stjórna jafnvæginu á milli þess að virkja og hindra varnarviðbrögð og gegna stóru hlutverki í bólguviðbrögðum. Það hefur lengi verið vitað að ensímvirkni gerist á mjög mismunandi hraða í mismunandi leysiefnum. Enn sem komið er hefur framlag leysisins - í líffræðilegum ferlum er það vatn - ekki enn verið skýrt á sameindastigi.

Tvær nýjar aðferðir sameinaðar

Hópar prófessor Havenith og prófessors Sagi við Weizmann Institute of Structural Biology hafa sameinað tvær nýþróaðar tilraunaaðferðir til að sýna beint fram á mikilvægi vatns fyrir ensímvirkni. Rannsóknin beindist að matrix metalloproteasa (MMP). Þeir eru staðsettir utan frumna okkar í svokölluðu utanfrumufylki, þar sem þeir sinna miðlægum verkefnum á sameindastigi sem skilaboðamiðlarar, stjórnendur eða viðhaldseiningar. Með því að brjóta niður utanfrumu fylkið, taka MMP virkan og beinan þátt í endurgerð vefja okkar, til dæmis í fósturvísa- eða æxlisvexti og í sáragræðslu. Hin fjölmörgu mögulegu notkunarsvið gera þessa fjölskyldu ensíma að upphafspunkti lyfjaþróunar. "Hins vegar er aðferðin til að virkja matrix metalloproteasa ekki enn nægjanlega þekkt á sameindastigi, sem gerir tilbúna æxlun erfiða," segir prófessor Havenith.

Nákvæm greining á öllum „leikmönnum“

Til að fá nákvæman skilning á virkjunarferlinu hafa rannsakendur í fyrsta skipti framkvæmt yfirgripsmikla greiningu á öllum „leikmönnum“ sem taka þátt: fylkismálmópróteasa sem „ensímið burðarefni“, virkjandi hvarfefni þess – „lykilsameind“ – og vatnið sem leysiefni, sem tekur mestan hluta hvarfumhverfisins. Í tilrauninni skoðuðu vísindamennirnir bindingu hvarfefnisins við MMP. Með hjálp tímaupplausnar röntgengreiningar tókst þeim að einkenna byggingarbreytingar í grennd við virku ensímstöðina (hér: sinkatómið) með atómupplausn. Með hjálp hreyfifræðilegrar THz frásogsrófsgreiningar (KITA) skráðu þeir breytingar á hröðum vatnshreyfingum með tímanum.

Íhugaðu vatn í lyfjaþróun

Fyrir mismunandi MMP-próteinsamsetningar var skýr fylgni á milli sveiflna í vatnsnetinu, byggingarbreytinga og virkni. Sameindavirknilíkingar veittu skýringu á athugunum: svo framarlega sem hvarfefnið er ekki enn komið á "réttan stað" ensímsins, þá er vatnsvirknin, þ.e. breyting á samstarfsaðilum í vatnssameindunum („terahertz-dans“ vatns ) er enn fljótur. Samhliða því að undirlaginu er fest við virka miðjuna hægist verulega á vatnshreyfingunni á svæðinu. Vatnið virkar þar eins og eins konar seigfljótandi lím sem heldur undirlaginu á sínum stað. Þessi breyting á THz dansi vatnsins með myndun ensím-hvarfefnatengisins sést aðeins með líffræðilega virkum ensím-hvarfefnasamsetningum. „Hæging vatnsins, sem var rannsökuð í fyrsta sinn, virðist því vera ómissandi hluti af virknistýringunni,“ segir Prof. Havenith. „Það mun því skipta sköpum í framtíðinni að taka mið af hlutverki vatns við þróun lyfja, til dæmis til að vinna gegn æxlum.“

„Solvation Science@RUB“

Þessi vinna er samþætt fókusnum „Solvation Science@RUB“, viðfangsefni ZEMOS-rannsóknarbyggingarinnar sem Vísindaráð mælir með til styrktar, en þaðan kemur einnig RUB-viðfangsefnishópurinn RESOLV. Í efnafræði, efnaverkfræði og líffræði er gríðarlegur fjöldi rita sem telja leysiefni óvirk

lýsa (óvirkum) miðlum fyrir sameindaferla. Fyrir utan þessa hefðbundnu skoðun er virkt hlutverk leysisins hins vegar að verða sífellt augljósara. Nýjar tilrauna- og fræðilegar aðferðir gera nú kleift að rannsaka, lýsa og kerfisbundið meðhöndla uppbyggingu, gangverki og hreyfifræði flókinna lausnafyrirbæra á sameindastigi. „Það er því kominn tími til að þróa samræmt líkan með forspárkrafti fyrir lausnarferli,“ segir Prof. Havenith. Þetta er einmitt markmið "Solvation Science@RUB".

titilupptaka

Grossman M, Born B, Heyden M, Tworowski D, Fields G, Sagi I, Havenith M: Fylgni burðarvirki og seinvirka leysisvirkni á virka málmpróteasastaðnum. Nature Structural & Molecular Biology, Advance Online Publication (AOP), doi: 10.1038/nsmb.2120 http://www.nature.com/nsmb/journal/vaop/ncurrent/abs/nsmb.2120.html

Heimild: Bochum [ RUB ]