Bild: Magnus Wolf-Watz
Bild: Magnus Wolf-Watz
Forskningsprojekt finansierat av Vetenskapsrådet.
Målet med forskningen är att försöka tämja den naturliga superkraften – enzymatisk katalys. Enzymer användas av naturen för att påskynda kemiska reaktioner många miljoner eller miljarder gånger. Genom att förstå de underliggande principerna som kontrollerar enzymatisk katalys kan det i framtiden bli möjligt att designa katalysatorer som kan bida till så vitt skilda koncept som grön kemi, förnyelsebara energislag och utveckling av specialiserade läkemedel inom till exempel olika cancerformer.
Biologiskt liv sker på en viss tidsskala och som exempel är medellivslängden för en människa i Sverige över åttio år. Om man i stället zoomar in på en enskild cell blir konceptet livslängd ett helt annat då celler kontinuerligt dör och nyskapas. Den vanliga mag/tarm bakterien E coli behöver under optimala betingelser cirka en halvtimme för att dela sig och skapa två celler från en.
Går vi ned ytterligare i detaljnivå så vet vi att för att en cell ska kunna föröka sig måste det ske ett mycket stort antal cellulära kemiska reaktioner. Tar man ut en sådan reaktion ur en cell och studerar den i ett provrör så finner man ofta att den tar oerhört lång tid, upp till år eller till och med tusentals år.
Detta skulle såklart inte fungera i en cell så naturen har utvecklat en klass proteiner med den enda uppgiften att snabba på cellulära kemiska reaktioner. Dessa proteiner kallas enzymer och kan öka hastigheten hos en reaktion många miljarder gånger. Denna effekt som kallas enzymatisk katalys är en riktig superkraft och kan vi lära oss att tämja den på ett förutsägbart sätt öppnas dörren vidöppen till många spännande tillämpningar inom till exempel biodrivmedel och medicin.
Hittills har vi bara skrapat på ytan, men ett talande exempel är den så kallade Polymerase Chain Reaction eller PCR (belönat med Nobelpriset i kemi 1993) som kan användas inom så skilda områden som kriminalteknik och genförändringar. Utvecklingen av PCR vilar bland annat på den grundläggande upptäckten av en klass enzymer som är värmetåliga och som till och med överlever att sättas i kokande vatten. För att vi ska kunna använda den fulla potentialen av enzymer måste vi alltså förstå de fundamentala principer som styr deras funktion.
Målet med mitt forskningsprogram är att avkoda hittills oupptäckta principer som används av enzymer för att katalysera kemiska reaktioner. För att fungera optimalt måste enzymer genomföra ett antal steg som bland annat innefattar igenkänning av den kemiska substans eller substanser som ska konverteras till en produkt i den kemiska reaktionen. Denna igenkänning kan liknas vid hur en hand passar i en handske, problemet är lite krångligare i en cell då det finns många kemiska substanser närvarande men enzymet ska oftast bara känna igen en av dessa. Dessutom krävs det viss rörlighet eller flexibilitet hos ett enzym för att ta en kemisk grupp från en molekyl och överföra den till en annan.
Dessa koncept med igenkänning och flexibilitet är kärnan i detta forskningsprogram där vi vill:
(1) förstå hur ett och samma enzym kan känna igen många olika substrat
(2) förstå vikten av flexibilitet för enzymatisk katalys.
För att kunna besvara dessa frågor kommer vi att utveckla ett koncept där vi studerar ett och samma enzym som är isolerat från de tre olika domäner som liv delas in i. Dessa domäner är bakterier, archaea och eukaryota organismer som sinsemellan uppvisar olika grad av släktskap. Genom jämförelser mellan dessa domäner hoppas vi kunna ta förståelsen inom våra fokusfrågor till nya höjder. I slutändan vill vi skapa förståelse av fundamentala principer på atomnivå som är den högsta tänkbara detaljrikedomen.
För att kunna uppnå detta måste vi att använda tekniker som kan ge information om både struktur och flexibilitet på just atomnivå. Vi har därför valt att fokusera på tre olika tekniker som var för sig kan ge unik kunskap på atomnivå och dessa är kärnmagnetisk resonansspektroskopi (NMR), röntgenkristallografi och beräkningskemi.
Forskningen kommer att ske i ett tätt samarbete mellan min och andra forskargrupper. Umeå universitet har en mycket kraftfull forskningsinfrastruktur inom området strukturbiologi och vi kommer att använda NMR plattformen i stor utsträckning. Sammanfattningsvis tror vi att vår forskning kommer att flytta fram forskningsfältet inom enzymatisk katalys rejält, och att våra ansträngningar tillsammans med övriga forskare i fältet säkerligen kommer att öppna dörren vidöppen för framtida spännande tillämpningar.
Samarbetspartners vid Umeå universitet:
Professor Elisabeth Sauer-Eriksson
Dr. Uwe Sauer
Natalia Mojica Cortés (doktorand)
Dr. Ronnie Berntsson
Professor Lars Backman
Samarbetspartner vid University of Texas Arlington, USA:
Dr. Kwangho Nam
Beata Dulko Smith (doktorand)
Samarbetspartner vid University of Konstanz, Tyskland:
Professor Malte Drescher
Sonja Tischlick (doktorand)
