Mit hochdimensionaler Festkörper-Kern­ma­gnet­re­so­nanz­spek­tro­sko­pie zu neuen Erkenntnissen über große Enzymkomplexe

Die Gruppe um Prof. Rasmus Linser forscht an neuen Methoden und Anwendungen für die pro­to­nen­de­tek­tier­te Festkörper-NMR, um neue Einblicke in Proteine zu gewinnen, die bisher zu groß und komplex zu analysieren oder aus anderen Gründen nur schwer mit Lösungs-NMR zu untersuchen sind. Ein Haupt­au­gen­merk liegt dabei auf neuen, hoch­di­men­sio­na­len NMR Experimenten mit vier und fünf Dimensionen in Kombination mit „magic angle spinning“ (MAS), bei dem die Proteinprobe in einem kleinen Rotor mit Frequenzen von bis zu 100 Ro­ta­tio­nen pro Sekunde im Magneten gedreht wird (Abb. 1). So können Si­gnal­über­la­ge­run­gen minimiert werden und letzt­end­lich immer komplexere Systeme analysiert werden.

In einem aktuellen Forschungsartikel im renommierten Journal PNAS zeigen die Forscher, wie vier- und fünfdimensionale NMR Experimente dazu genutzt werden können, um neue Einblicke in das 2 x 72 kDa große, PLP-abhängige Enzym Tryptophan Synthase zu erlangen (Abb. 2A-D). Damit stellen sie einen neuen „Weltrekord“ für die Komplexität (d. h. Mo­le­ku­lar­ge­wicht der asymmetrischen Einheit) von Festkörper-NMR-Targets auf und überbieten deutlich die bisherige Bestmarke von 42 kDa. PLP-abhängige Enzyme sind von Interesse als Drug targets, Tryptophan Synthase im Speziellen zudem als Biokatalysator in der Biotechnologie. Ihr Ka­ta­ly­se­me­cha­nis­mus ist jedoch auch nach Jahren intensiver Forschung noch nicht vollständig verstanden, auch dadurch, dass NMR Studien bisher durch das hohe Mo­le­ku­lar­ge­wicht stark limitiert gewesen sind.

Die neu entwickelten, hoch­di­men­sio­na­len NMR Experimente konnten nun dazu beitragen, Signale zum ersten Mal eindeutig den einzelnen Aminosäuren zuzuordnen. In Kollaboration mit der Gruppe um Prof. Leonard Mueller von der UC Riverside (Density Functional Theory Rechnungen von erwarteten che­mi­schen Verschiebungen) konnten die Autoren auf dieser Grundlage zeigen, dass verschiedene Kon­for­ma­tio­nen des aktiven Zentrums der Β-Untereinheit das Tautomerisierungsgleichgewicht der Schiffbase (Abb. 3) modulieren, das bislang erste Indiz dafür, dass die allosterische Regulation des Enzyms auch die che­mi­schen Eigenschaften der Reste in der aktiven Tasche, genauer den lokalen pK_A der prosthetischen Gruppe, beeinflusst. Sie legen so außerdem den Grundstein für weitere NMR-basierte Studien an Tryptophan Synthase und anderen PLP-abhängigen Enzymen, welche die Dynamik dieser komplexen Enzyme genauer unter die Lupe nehmen.