Enzymologi och riktad evolution av proteiner - Mikael Widersten

Enzymer karaktäriseras av en oöverträffad effektivitet och selektivitet vad gäller kemisk katalys. Ofta kan enzymer särskilja olika stereoisomerer av samma molekyl och acceptera endast den ena isomeren som substrat. Dessa egenskaper gör enzymer mycket attraktiva som syntesverktyg för kiral syntes där produktrenhet är avgörande.

I Widerstens grupp studerar vi sambanden mellan enzymers struktur och deras funktion för att utifrån det vi lär oss kunna utveckla nya enzymer för katalys av nyttiga kemiska reaktioner. Vi är framför allt intresserade av reaktioner som innefattar omvandling och bildande av nya kirala och pro-kirala molekyler.

För den oinvigde som vill förstå vad vår forskning går ut på så finns en populärvetenskaplig presentation nedan.

Enzymer - Framtidens kemikalieproducenter

Vårt moderna samhälle vore otänkbart utan ständig utveckling och framställning av nya kemikalier. Dessa är oundgängliga byggstenar i våra material, läkemedel, som bränsle till våra fordon samt inom forskning och utveckling. Framställning och produktion av kemikalier har traditionellt nästan uteslutande varit, och fortfarande är, helt beroende av tillgången på oljebaserade råmaterial.

Häri ligger den första utmaningen: hur skall vi kunna ersätta olja som nödvändigt startmaterial för att i stället utnyttja förnybara råmaterial. En annan viktig del i kemikalieframställningen består i hur vi idag fogar samman mindre molekyler till mer komplexa föreningar som kan användas inom olika tillämpningar, dvs hur vi syntetiserar dessa. Detta sker idag ofta med metoder som är långsiktigt miljömässigt ohållbara, som utnyttjar ändliga råmaterial såsom sällsynta övergångsmetaller och, återigen, oljebaserade reagens och lösningsmedel. Dessutom skapas stora mängder avfall, i många fall avfall som kräver särskild hantering pga dess giftighet för människa och miljö.

Ett viktigt steg mot mer hållbar framställning och utveckling av nödvändiga kemikalier vore att förändra syntesvägarna mot långsiktigt hållbara tekniker. Enzymer är naturens egna kemiska katalysatorer. De är proteiner och därigenom fullt biologiskt nedbrytbara och de byggs upp från förnybara byggstenar. Enzymer har länge varit mycket eftertraktade för användning som katalysatorer för kemikalieframställning - dock uppvisar de vissa ofördelaktiga egenskaper som bromsat utnyttjandet. Med nya metoder som utnyttjar modern genteknik och produktion av enzymer i mikrober kan vi idag modifiera och anpassa enzymers egenskaper för att bättre fungera som katalysatorer, även för syntes av industriellt relevanta kemikalier.

I vår forskning studeras en rad olika enzymer i syfte att dels förstå hur de kan verka som de effektiva kemiska katalysatorer de är. Denna grundvetenskapliga karaktärisering är viktig då den den nya kunskapen vi får gör det möjligt att även utveckla helt nya variantenzymer, med specialanpassade egenskaper. Dessa enzymvarianter åstadkoms genom en process som benämns riktad evolution. Gener som kodar för enzymerna förändras i en kontrollerad process som resulterar i nya variantenzymer som bär olika förändringar i sina aktiva säten, de rum i enzymerna där kemiska reaktioner äger rum och katalyseras. I processen bildas blandningar, populationer, av variantenzymer, alla med mer eller mindre förändrade egenskaper. Ur dessa populationer (enzymbibliotek) vaskas de varianter ut som uppvisar egenskaper i riktning mot de önskade, dvs förbättring jämfört med utgångsenzymet.

Då ett av huvudsyftena med projektet är att lära sig hur enzymers egenskaper är kopplade till deras struktur så karakteriseras även de mest intressanta varianterna noggrant och resultaten jämförs med ursprungsenzymet. De lärdomar som kan dras från dessa jämförelser styr vidare evolutionsförsök för att således ytterligare optimera ett enzyms egenskaper.

Enzymer som katalyserar olika typer av kemiska reaktioner studeras, samtliga relevanta för kemikalieframställning: hydrolys, oxidation/reduktionsreaktioner, bildandet av nya kol-kol-bindningar samt framställning av olika amininnehållande föreningar. En mycket viktig aspekt är asymmetrisk syntes av kemikalier - bildandet av kemiska föreningar som inte är symmetriska. Detta är särskilt relevant vid läkemedelsframställning då de biomolekyler som läkemedel förväntas binda till och påverka även de är asymmetriska. Asymmetrisk syntes är än i denna dag utmanande för traditionell organisk syntes, men då enzymer i sig är uppbyggda av asymmetriska byggstenar är de därför i regel mycket selektiva som katalysatorer vid syntes av asymmetriska molekyler. Förmågan att särskilja olika asymmetriska former av samma substans (enantiomerer) är en egenskap som vi fokuserar på som ett sökkriterium när den riktade evolutionen genomförs.