Detaljerad information för diarienr 2006-4191
		Besl. instans: NT Ämnesområde: Fysikalisk & teoretisk kemi Beslutsdat: 2006-11-27 Namn: Brinck, Tore Titel: Professor Kön: Man Univ./Institution: Kungl Tekniska Högskolan - Skolan för kemivetenskap, CHE Projekttitel: Beräkningskemisk design av nya enzymaktiviteter Project title: Optimizing the Catalytic Promiscuity of Enzymes by Computer Assisted Rational Design Värdhögskola: Kungl Tekniska Högskolan SCB-klassificering: Fysikalisk organisk kemi, Bioorganisk kemi, Biokemi Beviljat(SEK): Bidragsform/Finansieringskälla   2006   Projektbidrag/ Vetenskapsrådet, naturvetenskaplig-teknikvetenskaplig forskning   405000 Beskrivning: Enzymer används idag flitigt inom stora delar av den kemiska industrin på grund av deras unika katalytiska egenskaper. Speciellt intressanta är enzymer för läkemedelsindustrin eftersom de oftast bara katalyserar produktion av den ena enantiomeren av ett kemiskt ämne. Med enantiomerer menas två molekyler som förhåller sig till varandra som höger och vänster hand, det vill säga de är varandras spegelbilder men är ändå inte identiska. Enantioselektiv katalys är viktigt vid läkemedelsproduktion eftersom det oftast bara är den ena av enantiomererna som är aktiv medan den andra kan ge upphov till biverkningar. Hydrolytiska enzymer som lipaser tillhör de mest populära enzymerna inom den kemisk industrin då de är stabila, relativt billiga och inte kräver några dyra hjälpämnen (cofactors) som behöver regenereras. Det skulle därför vara av stort intresse om deras användningsområde kunde utökas till nya reaktioner och substrat (utgångsämnen). Ett enzym kan liknas vid en lång ihopvecklad kedja bestående av hundratals aminosyror. Vilken eller vilka reaktioner ett enzym katalyserar beror dock på ett fåtal strategiskt placerade aminosyror. Det är nämligen endast dessa, så kallade katalytiska aminosyror, som aktivt deltar i den kemiska reaktionen. Tack vare den snabba utvecklingen inom molekylärbiologi finns det idag metoder för att byta ut, mutera, en eller flera aminosyror i ett protein. Med hjälp av dessa metoder har man visat att ett enzym ofta behåller viss aktivitet även om någon av de katalytiska aminosyrorna muteras. Enzymet kan uppenbarligen använda en alternativ mekanism för att katalysera sin naturliga reaktion, Andra underökningar har demonstrerat att många enzymer katalyserar även andra reaktioner än de naturliga. Observationer som tillsammans tyder på att man kan inducera katalytisk aktivitet för nya reaktioner med hjälp av relativt få men strategiskt valda mutationer. Vi har visat att mutation av en av de katalytiska aminosyrorna i ett lipas leder till ett enzym som tappar sin naturliga aktivitet för esterhydrolys och istället katalyserar en annan viktig organisk reaktion, aldol addition. Detta resultat som också verfierats experimentellt utgör ett unikt på exempel hur reaktionsmekanismen för ett enzym radikalt kan ändras med hjälp av en enda mutation. Dessutom är det en av de absolut första exemplen där man utifrån teoretiska beräkningar lyckats visa hur ett enzym kan modifieras för att katalysera en onaturlig reaktion. Liknande beräkningar har också förutspått att samma enzym bör kunna katalysera andra viktiga reaktioner, såsom Michael addition och expoxidering, och även dessa prediktioner har nu verfierats experimentellt. Vi planerar att undersöka nya mutationer som kan möjligöra katalys av andra kemiska reaktioner. Speciellt vill vi utveckla ett enzym som katalyserar Diels-Alder reaktionen. Det är en viktig reaktion som bland annat används vid framställning av många läkemedel. Konstigt nog finns det endast ett fåtal naturliga enzymer som katalyserar Diels-Alder reaktionen och det är tveksamt om de använder en riktig Diels-Alder mekanism. Följaktligen finns det ett stort intresse för utveckling av ett enzym som katalyserar denna reaktion. Inom projektet vill vi också utveckla enzymer som katalyserar andra reaktioner som är viktiga vid bland annat läkemedelsframställning. Med hjälp av så kallade kvantkemiska beräkningar kan vi studera de katalytiska reaktionerna i detalj i små modeller av enzymernas reaktionscentrum. Sådana studier ger en direkt indikation av om en viss mutation kan resultera i ett aktivt enzym. Ett problem är dock att modifierade enzymer sällan är lika effektiva katalysatorer som naturliga, och att aktivitetsskillnaderna inte alltid återspeglas i våra beräkningar. Ny forskning tyder på att en anledning till den ofta effektivare katalysen i ett naturligt enzym kan härröras till koordinerade rörelser av olika delar av enzymet. Vi ämnar studera förekomsten av sådana rörelser i naturliga och muterade enzymer med hjälp av en kombination av kvantkemiska beräkningar och molekyldynamiska simuleringar. Vår förhoppning är att beräkningarna kan ge en indikation av betydelsen av dessa och vilka mutationer som krävs för att inducera liknande rörelser i ombyggda enzym. Målet är att utveckla en metodik som möjligör utveckling av effektiva enzymbaserade katalysatorer för reaktioner av industriellt intresse.