Entschlüsselung der mysteriösen Funktionsweise von Enzymen, den Katalysatoren des Lebens
Ohne Enzyme wäre kein Leben möglich. Die chemischen Reaktionen, die die von unseren Zellen und unserem Körper benötigten Stoffe erzeugen, werden alle durch Enzyme vollzogen. Diese Proteinklasse beeinflusst alle Funktionen, von der Atmung bis zur Verdauung. Sie ist in der Lage, chemische Reaktionen enorm zu beschleunigen, was sonst nicht möglich wäre. Bislang waren sich die Forschenden jedoch nicht im Klaren darüber, wie Enzyme ihre Aktivitäten innerhalb der Zelle koordinieren. Nun stehen der modernen Wissenschaft die Werkzeuge für diese Problemuntersuchung zur Verfügung. Beim Projekt MetaQ geht es um ein Molekül namens Coenzym Q10 und darum, wie es durch Biosynthese hergestellt werden kann. Obwohl es vor allem als Inhaltsstoff in Schönheitsprodukten bekannt ist, kommt Coenzym Q10 überall in der Natur vor und ist für das Leben unentbehrlich. Zudem ist es ein wichtiger chemischer Vermittler der Atmung, fungiert als Antioxidans und Veränderungen in seiner Konzentration werden mit zahlreichen Krankheiten in Verbindung gebracht. „Aufgrund seiner Komplexität, seiner Rolle für das Leben und seiner Bedeutung in der Biomedizin stellt die Produktion von Coenzym Q10 ein ideales System dar, anhand dessen untersucht werden kann, wie Zellen die Enzym-Aktivität in Zeit und Raum koordinieren“, erklärt Projektleiter Andrea Mattevi von der Universität Pavia in Italien. Coenzym Q10 bietet sich somit als ideales Modell an, um die Fragen zu beantworten, die die MetaQ-Forschung vorantreiben: Wie gelingt es Enzymen, Moleküle effizient miteinander auszutauschen? Wie verhindern sie den unnötigen Verlust oder den Abbau von Reaktionsprodukten, bevor diese durch das nächste Enzym im Stoffwechselweg katalysiert werden? Wie wird ein bestimmtes Enzym für einen Stoffwechselweg rekrutiert und nicht für einen anderen? Es wird erhofft, dass die Biosynthese von Coenzym Q10 dazu Antworten liefern wird.
Keine Suppe, sondern eine Versammlung
Seit seiner Markteinführung im Oktober 2023 konnte MetaQ mehrere bisher unbekannte chemische Schritte bei der Biosynthese von Coenzym Q10 in menschlichen Zellen aufdecken. „Dies stellt einen grundlegender Durchbruch dar, der ein umfassenderes Verständnis dieses wichtigen Stoffwechselweges ermöglicht“, kommentiert Mattevi. Darüber hinaus entdeckte das Team, dass die an diesem Prozess beteiligten Enzyme sich zu einer lockeren Ansammlung zusammenfinden, die wie eine chemische Fabrik funktioniert. „Bei dieser Ansammlung wird die Reaktionsreihe schrittweise durchgeführt, wodurch der Verlust von Zwischenprodukten, die für die Zelle giftig sein könnten, minimiert wird“, so der Forscher. Laut Mattevi ist dies eines der ersten Beispiele, durch das nachgewiesen wird, dass Zellen nicht einfach eine „Enzymsuppe“ sind, in der jedes Enzym seine chemische Reaktion isoliert ausführt. „Stattdessen interagieren und kolokalisieren Enzyme auf einer höheren Organisationsebene, wo sie ihre Aktivitäten koordinieren, ihre Effizienz steigern und die Produktion von verschwenderischen oder gar schädlichen Nebenprodukten verringern.“ Der nächste Punkt auf der Projektagenda ist die Entwicklung und Anwendung experimenteller Werkzeuge, um zu verstehen, wie diese enzymatische Maschinerie abläuft – wie die Enzyme zusammenfinden, wie sie interagieren und wie sie ihre Funktionen mittels physischer Nähe koordinieren. MetaQ (When enzymes join forces: unmasking a mitochondrial biosynthetic engine) möchte nun seine Forschung auf andere Stoffwechselprozesse ausdehnen, bei denen die enzymgesteuerte Orchestrierung komplexe chemische und metabolische Funktionen ermöglicht – mit wichtigen Auswirkungen für die Biomedizin. Wenn Sie an einer Vorstellung Ihres Projekts als „Projekt des Monats“ in einer der nächsten Ausgaben interessiert sind, schreiben Sie uns bitte eine E-Mail an editorial@cordis.europa.eu und sagen Sie uns, warum!