Köldanpassade enzymer kan byta skepnad vid rumstemperatur

Enzymer från köldälskande organismer som lever vid låga temperaturer, nära vattnets fryspunkt, uppvisar väldigt speciella egenskaper. I en ny studie publicerad i Nature Communications har forskare vid Uppsala universitet tagit hjälp av stora datorberäkningar för att visa hur det kommer sig att många köldanpassade enzymer slutar fungera redan omkring rumstemperatur.

Enzymer är de ”maskiner” som håller ämnesomsättningen igång i alla levande celler, men dessvärre stannar alla biokemiska reaktioner normalt upp vid låga temperaturer. Evolutionen har löst detta problem genom att utveckla köldanpassade enzymer hos sådana arter där temperaturen inne i cellerna är densamma som i den kalla miljön utanför. Detta gäller allt från bakterier till vissa växter och kallblodiga ryggradsdjur såsom fiskar som lever i mycket kallt vatten. Dessa köldanpassade enzymer har speciella termodynamiska egenskaper som gör att de fungerar under iskalla förhållanden. De visar sig också smälta vid lägre temperatur än vanliga enzymer, men det gör ju inget om de smälter vid cirka 40° C eftersom de aldrig behöver arbeta i sådan värme.

En stor olöst gåta har dock varit varför många köldanpassade enzymer slutar fungera redan omkring rumstemperatur, långt innan de börjar smälta. Det har forskarna Jaka Socan, Miha Purg och Johan Åqvist nu för första gången kunnat förklara, med hjälp av massiva datorberäkningar.

Forskarna simulerade den kemiska reaktionen i ett stärkelsenedbrytande enzym från en antarktisk bakterie vid olika temperaturer och jämförde detta med beräkningar på samma enzym från en vanlig varmblodig gris. Det visade sig då att det antarktiska enzymet börjar spricka upp lokalt redan vid rumstemperatur och denna defekt gör att stärkelsemolekylerna sitter fast mycket sämre i enzymet. Detta fenomen ger upphov till ett maximum i reaktionshastighet vid 25° C och inträffar cirka 15° C under smälttemperaturen. I grisens enzym däremot, fortsätter reaktionshastigheten bara att öka tills enzymet slutligen smälter vid omkring 60° C.

Med datorberäkningar är det alltså möjligt att identifiera vilka delar av de köldanpassade enzymerna som ger upphov till deras speciella egenskaper.

– Både våra nya och tidigare resultat från datorsimuleringar av olika köldanpassade enzymer, och mutanter av dem, visar att vi nu har kommit till ett stadium då man rationellt kan designa om enzymer för att ändra deras egenskaper på ett förutsägbart sätt. Detta angreppssätt har länge varit ett mål, men har hittills inte kunnat konkurrera med slumpmässig laboratorie-evolution av enzymer som Frances Arnold fick Nobelpris för 2018, säger Johan Åqvist, professor i teoretisk kemi vid institutionen för cell- och molekylärbiologi, Uppsala universitet.

För mer information kontakta Johan Åqvist, tel: 070-4250404, e-post: Johan.Aqvist@icm.uu.se

Referens till vetenskaplig artikel: Computer simulations explain the anomalous temperature optimum in a cold-adapted enzyme, Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-020-16341-2