Forskere fra NMBU har publisert en artikkel i Nature Communications om lytiske polysakkarid monooksygenaser (LPMO). I studien viser de at LPMO-enzymene overfører hull (radikaler) generert under katalyse via et nettverk av aromatiske aminosyrer. Denne prosessen, som gjerne kalles «hullhopping», beskytter enzymet mot oksidativ skade.
LPMOer ble oppdaget ved NMBU i 2010 og brukes i dag over hele verden til enzymatisk nedbryting av biomasse. LPMOer er svært kraftige, såkalte redoksenzymer som genererer radikaler under katalysen og som har stort katalytisk og industrielt potensiale. Problemet er at disse radikalene også kan skade enzymet.
I en ny studie viser forskere fra NMBUs fakultet for kjemi, bioteknologi og matvitenskap (KBM) at disse enzymene har mekanismer som overfører radikaler («hull») på avveie bort fra enzymet, gjennom et nettverk av aromatiske aminosyrer. Slike hullhopping-prosesser har blitt beskrevet for andre typer redoksenzymer, men NMBU-studiet skiller seg ut fordi det beskriver en unik, detaljert kartlegging av radikalenes, eller hullenes, vei gjennom LPMOene.
Om studien
Hullhopping i proteiner innbærer overføringen av elektronhull, som også kan ses på som radikaler. De genereres under katalyse og kan forplante seg gjennom aminosyresidekjeder, hovedsakelig tyrosin og tryptofan, slik at de føres bort fra enzymet heller enn å skade enzymet. Det virker som at slik hullhopping, som er vanskelig å studere, har blitt finjustert i løpet av evolusjonen. Det brukes i til flere formål i naturen, ikke bare for å beskytte enzymer, men også, for eksempel, som del av det magnetiske fuglekompasset.
Hullene som genereres under katalyse i LPMOer og en del andre redoksenzymer, er kraftige oksidanter som brukes til kontrollert og spesifikk oksidasjon av substrater. Men hvis katalysen mislykkes eller hvis det ikke er noe substrat til stede, kan hullene oksidere viktige aminosyrer i enzymet.
Dette ville føre til skade og fullstendig inaktivering av enzymet, med mindre det er beskyttende hullhopping-ruter til å fjerne disse hullene, og lede dem til steder langt unna enzymets aktive setet, for til slutt å bli nøytralisert av reduserende stoffer som er til stede i løsningen utenfor enzymet.
– I artikkelen i Nature Communications analyserer vi i detalj slike ruter i LPMOer, sier en av hovedforfatterne ved KBM og leder av forskningsgruppen PEP, Vincent Eijsink.
– Vår studie er spesiell fordi LPMOer er så viktige og fordi vi har klart å få innsikt på et detaljnivå som ingen andre har klart, legger han til.
LPMOer er i stand til å selektivt aktivere C-H bindinger i de krystallinske delene av kitin og cellulose, to av de mest rikelig forekommende biopolymerene på jorden. Å bryte ned krystalliniteten til slike polymerer gjør disse mer tilgjengelige for «vanlige» enzymer, såkalte hydrolaser, noe som fører til økt nedbrytning av biomasse i naturen og økt sakkarifiseringsutbytte for biomasse-raffineringsindustrien.
LPMOer er små proteiner (rundt 200 aminosyrer) med en karakteristisk flat overflate, hvor det finnes et enkelt bundet kobberatom som er sentralt for katalyse. Under katalyse omdannes hydrogenperoksid til et hydroksylradikal, eller et kobber-oksyl radikal, som representerer det første hullet og er kraftige oksidanter. Hvis substratet er bundet, vil disse kraftige oksidantene oksidere C-H bindinger i substratet. I fravær av substrat, vil de imidlertid kunne skade aminosyrer i nærheten av kobberet og dermed inaktivere enzymet.
– Ved å bruke en bakteriell kitin-aktiv LPMO som modell har vi analysert i detalj hvordan hullhoppruter bidrar til beskyttelse av denne viktige proteinfamilien. Videre har vi vist at hullhopping kan påvirke katalyse, fordi det noen ganger kan konkurrere med den produktive reaksjonen, det vil si oksidasjonen av substratet, sier Eijsink.
Han legger til at denne unike studien kun har vært mulig takket være langsiktig finansiering fra ERC (European Research Council) samt betydelige utstyrsinvesteringer fra både NMBU og Norges Forskningsråds INFRA program i de siste ti år.
Resultat
Samlet sett viser resultatene i studien at LPMOer har hullhopping-ruter som brukes for beskyttelse. Studiet viser også at de finnes forskjellige typer slike ruter og at noen LPMOer er bedre beskyttet enn andre, noe som har betydning når det kommer til industriell anvendelse av disse unike enzymene.
Observasjonen at aktivitet og beskyttelse kan være konkurrerende prosesser, er det første eksperimentelle beviset for en tidligere antatt delikat balanse mellom redoksaktivitet og redoksstabilitet i redoksenzymer.