FWF - Nonheme Fe(II) - Nichthäm-Eisen-(II)-Hydroxylasen: von Struktur-Funktionsbeziehungen zum Redesign

Selektive Oxidationen von nichtaktivierten Kohlenstoffen mittels O2 sind synthesechemisch immer noch eine große Herausforderung. Im Gegensatz dazu gibt es in der Natur Strategien, um die hochselektive Oxidation organischer Moleküle zu ermöglichen. P450-Häm- und die Nichthäm-Fe(II)-Zentren sind wohl die vielfältigsten unter den O2 abhängigen Syntheseenzymen. Im Gegensatz zu den P450-Enzymen werden die Nichthäm-Fe(II)-Proteine nicht als Plattform verwendet um ‚maßgeschneiderte‘ Oxidationen zu designen, und das obwohl sie ein einzigartiges katalytisches Potential besitzen. Gründe dafür sind unter anderem die Instabilität der Enzyme ausserhalb der Zelle und die oft problematische Etablierung von Ganzzellscreeningmethoden für diese Umsetzungen. Diese Faktoren schränken die Anwendbarkeit von evolutionsbasierten Enzymdesigntechniken ein. Rationale Methoden des Enzymdesign, die auf einem fundamentalen Verständnis der Beziehung zwischen Enzymstruktur und Funktion beruhen könnten helfen diese Kluft zu überbrücken. α-KG abhängige Nichthäm-Fe(II)-hydroxylasen (α-KG-MNH ) sind Nichthäm-Fe(II)-Enzyme, die eine Reihe von Zellmetaboliten oxidativ hydroxylieren. Sie haben einen Cupin-Fold und zeigen alle ein gleich strukturiertes Metallzentrum. Trotzdem haben die einzelnen α-KG-MNHs hohe, sich deutlich unterscheidende Regio-, Stereo- und Substratselektivitäten. In diesem Projekt wird die strukturelle Basis dieser Diversität untersucht. Hierfür werden einzelne α-KG-MNH-Vertreter aus der Gruppe mittels exsperimentellen und computergestützten Methoden charakterisiert. Mutationsanalyse und kinetische und spektroskopische Methoden werden mit molekulardynamischen Studien korreliert, um Einblicke in den Einfluss von Protein- und Metallzentrenstruktur auf einzelne katalytische Schritte zu erhalten. Das Ziel der Studie ist es, neue katalytische Funktionen in die α-KG-MNH-Strukturen einzubauen. Im Zuge dessen wird auch untersucht, inwieweit sich molekulardynamische Studien eignen, um katalytische Eigenschaften computergestützt und mittels quantifizierbarer Deskriptoren zu rationalisieren und vorherzusagen. Weiters werden die Resultate aus der Studie mit Literatur-, Struktur- und Sequenzdaten korreliert, um die strukturellen Motive zu definieren, die für die Stereo-, Regio- und Substratselektivitäten verantwortlich zeichnen. Das Verständnis bezüglich des Zusammenspiels zwischen Proteinstruktur und katalytischen Eigenschaften in α-KG-MNHs soll auf diese Weise vertieft werden, um ihr computergestütztes Redesign zu ermöglichen um damit ihr katalytisches Repertoir zu erweitern. Dies könnte wiederum neue biosynthethische Routen eröffnen um nachhaltig Feinchemikalien aus erneuerbaren Rohstoffen zu produzieren.