Diamati "hidup": air adalah pemain aktif dalam enzim
UlVCLUZvcnNjaGVyIGJlcmljaHRlbiBpbiBOYXR1cmUgU3RydWN0dXJhbCAmIE1vbGVjdWxhciBCaW9sb2d5IFdhc3NlciB3aXJrdCBhbHMg4oCeS2xlYmVy4oCcIGluIGJpb2xvZ2lzY2hlbiBFbnp5bS1TdWJzdHJhdC1WZXJiaW5kdW5nZW4=
Dalam kombinasi enzim-substrat yang aktif secara biologis, seperti yang ditemukan dalam obat-obatan, air memainkan peran yang lebih menentukan daripada yang diperkirakan sebelumnya. Air di sekitarnya bertindak seperti "lem" untuk menahan substrat di tempat yang tepat untuk enzim. Untuk melakukan ini, dinamika air diperlambat. Ilmuwan di RUB yang dipimpin oleh Prof. Dr. Martina Havenith (kimia fisik), bekerjasama erat dengan ilmuwan yang dipimpin oleh Prof. Dr. Irit Sagi dari Institut Weizmann Israel dapat mengamati dan membuktikan perlambatan dinamika air "hidup" untuk pertama kalinya. Para peneliti melaporkan hasil mereka di "Nature Structural & Molecular Biology".
Apa peran yang dimainkan pelarut?
Enzim adalah zat alami yang mempercepat dan mengontrol proses metabolisme dalam tubuh. Misalnya, mereka sangat penting untuk sistem kekebalan karena mereka mengontrol keseimbangan antara mengaktifkan dan menghambat reaksi pertahanan dan memainkan peran utama dalam reaksi inflamasi. Telah lama diketahui bahwa fungsi enzimatik terjadi pada kecepatan yang sangat berbeda dalam pelarut yang berbeda. Sejauh ini, bagaimanapun, kontribusi pelarut - dalam proses biologis itu adalah air - belum diklarifikasi pada tingkat molekuler.
Dua teknik baru digabungkan
Kelompok Prof. Havenith dan Prof. Sagi di Institut Biologi Struktural Weizmann Institute telah menggabungkan dua teknik eksperimental yang baru dikembangkan untuk secara langsung menunjukkan pentingnya air untuk fungsi enzimatik. Penelitian difokuskan pada matrix metalloprotease (MMP). Mereka berada di luar sel kita dalam apa yang dikenal sebagai matriks ekstraseluler, di mana mereka melakukan tugas-tugas sentral pada tingkat molekuler sebagai perantara pesan, manajer, atau unit pemeliharaan. Dengan memecah matriks ekstraseluler, MMP secara aktif dan langsung terlibat dalam remodeling jaringan kita, misalnya dalam pertumbuhan embrio atau tumor dan dalam penyembuhan luka. Banyaknya area aplikasi yang memungkinkan membuat keluarga enzim ini menjadi titik awal untuk pengembangan obat. "Namun, mekanisme pengaktifan matriks metaloprotease belum cukup diketahui di tingkat molekuler, sehingga membuat reproduksi sintetik menjadi sulit," kata Prof Havenith.
Analisis yang tepat dari semua "pemain"
Untuk pemahaman yang tepat tentang proses aktivasi, para peneliti untuk pertama kalinya melakukan analisis komprehensif dari semua "pemain" yang terlibat: matriks metaloprotease sebagai "kendaraan enzim", substrat pengaktifnya - "molekul kunci" - dan air sebagai pelarut yang menempati sebagian besar lingkungan reaksi. Dalam percobaan, para ilmuwan memeriksa pengikatan substrat ke MMP. Dengan bantuan spektroskopi sinar-X yang diselesaikan dengan waktu, mereka dapat mengkarakterisasi perubahan struktural di sekitar pusat enzim aktif (di sini: atom seng) dengan resolusi atom. Dengan bantuan spektroskopi penyerapan THz kinetik (KITA), mereka mencatat perubahan gerakan air yang cepat dari waktu ke waktu.
Pertimbangkan air dalam pengembangan obat
Untuk kombinasi protein MMP yang berbeda, terdapat korelasi yang jelas antara fluktuasi jaringan air, perubahan struktur dan fungsi. Simulasi dinamika molekul memberikan penjelasan untuk pengamatan: Selama substrat belum tiba di "tempat yang tepat" dari enzim, dinamika air, yaitu perubahan pasangan dalam molekul air ("tarian terahertz" air ) masih cepat. Bersamaan dengan docking substrat ke pusat aktif, pergerakan air di area tersebut melambat secara signifikan. Air bertindak di sana seperti semacam lem kental yang menahan substrat di tempatnya. Perubahan dalam tarian THz air dengan pembentukan ikatan enzim-substrat hanya diamati dengan kombinasi enzim-substrat yang aktif secara biologis. "Perlambatan dinamika air, yang diselidiki untuk pertama kalinya, oleh karena itu tampaknya menjadi bagian penting dari kontrol fungsional," kata Prof Havenith. "Oleh karena itu, di masa depan akan sangat penting untuk mempertimbangkan peran air dalam pengembangan obat-obatan, misalnya untuk memerangi tumor."
“Ilmu Solvasi@RUB”
Karya ini diintegrasikan ke dalam fokus "Solvation Science@RUB", topik dari gedung penelitian ZEMOS yang direkomendasikan oleh Science Council untuk pendanaan, dari mana klaster RESOLV aplikasi keunggulan RUB juga muncul. Dalam kimia, teknik kimia, dan biologi, ada sejumlah besar publikasi yang menganggap pelarut sebagai inert
menggambarkan (pasif) media untuk proses molekuler. Di luar pandangan tradisional ini, bagaimanapun, peran aktif pelarut menjadi semakin jelas. Metode eksperimental dan teoritis baru sekarang memungkinkan penyelidikan, deskripsi dan manipulasi sistematis dari struktur, dinamika dan kinetika fenomena solvasi kompleks pada tingkat molekuler. "Oleh karena itu, sudah waktunya untuk mengembangkan model seragam dengan daya prediksi untuk proses solvasi," kata Prof Havenith. Inilah tepatnya tujuan dari "Solvation Science@RUB".
Judul rekaman
Grossman M, Born B, Heyden M, Tworowski D, Fields G, Sagi I, Havenith M: Kinetika struktural yang berkorelasi dan dinamika pelarut terbelakang di situs aktif metalloprotease. 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
Sumber: Bochum [RUB]
