FWF - EpiSwitch - Die Spezifität von Kohlenhydratepimerasen

Projekt: Foschungsprojekt

Beschreibung

Kohlenhydrate sind die strukturell vielfältigste Klasse von Molekülen in der Natur. Die biologische Funktion von Kohlenhydraten ist ebenfalls sehr divers. Eine ihrer wichtigsten Aufgaben ist jedoch die Vermittlung von biologischer Erkennung. Die Wechselwirkung von Kohlenhydraten mit anderen Biomolekülen wie zum Beispiel Proteinen ist hierbei wesentlich für die biologische Spezifität. Auf Kohlenhydraten basierende Erkennungsprozesse durchziehen alle Formen des Lebens und manifestieren sich sowohl auf subzellulärer Ebene wie auch in der komplexen Physiologie des Menschen im Zustand von Gesundheit und Krankheit. Die primäre Ebene der strukturellen Vielfalt von Kohlenhydraten ist jene der Monosaccharide, die in der zellulären Biosynthese hergestellt werden. Ausgehend von einfachen Vorläufern wie zum Beispiel UDP-Glucose, der aktivierten Form des Traubenzuckers in der zellulären Physiologie, kann strukturelle Variation vor allem durch die sogenannte Epimerisierung unter Einwirkung von Enzymen erreicht werden. Der Term Epimerisierung meint, dass die Konfiguration eines stereogenen Zentrums im Substrat, also zum Beispiel das Kohlenstoffatom 4 der D-Glucose, invertiert wird um ein neues Monosaccharid, in diesem Fall D-Galactose, zu generieren. Viele seltene "Zucker" werden in der Biologie über den Weg der Epimerisierung hergestellt. Epimerisierungen sind jedoch auch von beträchtlichem Interesse für technologische Anwendungen, da ihre Produkte in gesundheitsrelevanten Lebensmitteln, in Kosmetika und in der Medizin Einsatz finden können. Obwohl die Epimerisierung auf den ersten Blick wie eine sehr einfache chemische Umsetzung aussieht, stellt sie synthetisch eine große Herausforderung dar. Die chemische Synthese würde mehrere Schritte unter beträchtlichem experimentellen Aufwand vor allem für die Schutzgruppenchemie erfordern. Enzyme für die Epimerisierung in der Biologie werden Kohlenhydratepimerasen genannt und sie katalysieren ihre Reaktionen mit bemerkenswerter Spezifität. Kohlenhydratepimerasen wurden kürzlich aufgrund ihrer Struktur und dem Reaktionsmechanismus in Gruppen, sogenannte Epimerase Familien, eingeteilt. Die größte der so definierten Enzymfamilien, Familie CEP 1, beinhaltet Enzyme, die eine hohe Diversität an Spezifität und Reaktivität aufweisen. Unterschiede in den funktionellen Eigenschaften von Vertretern der Familie CEP 1 scheinen sich auf Basis einer weitgehend konservierten Proteinstruktur und einem ebenfalls konservierten Reaktionsmechanismus entwickelt zu haben. Ein Forschungsthema von hoher Signifikanz ist daher die Aufklärung der Rolle von struktureller Variation im und um das aktive Zentrum der Enzyme im Hinblick auf die katalytische Funktion und die Spezifität. Tom Desmet (Universität Gent) und Bernd Nidetzky (TU Graz) nutzen in diesem Projekt die komplementären Expertisen in ihren Arbeitsgruppen und schlagen vor, die molekularen Determinanten von Spezifität und Reaktivität in ausgewählten Kohlenhydratepimerasen durch gezielte Mutationsanalyse sowie detaillierte kinetische und mechanistische Charakterisierung zu studieren. Neben der Etablierung von wichtigen Struktur-Funktions-Wechselbeziehungen soll das Projekt zeigen, dass eine gerichtete Spezifitätsänderung in existierenden Kohlenhydratepimerasen möglich ist. Ein erfolgreiches Projekt würde grundlegende Einblicke in eine wichtige Gruppe von kohlenhydrataktiven Enzymen liefern und könnte neue Katalysatoren für die Herstellung von seltenen Zuckern bereitstellen.
StatusLaufend
Tatsächlicher Beginn/ -es Ende1/03/1730/09/20