La struttura degli enzimi determina il modo in cui controllano i processi vitali come la digestione o la risposta immunitaria. Questo perché i composti proteici non sono rigidi, ma possono cambiare forma tramite "cerniere" mobili. La forma degli enzimi può dipendere dal fatto che la loro struttura sia misurata nella provetta o nella cellula vivente. Questo è ciò che i fisicochimici dell'Università di Bonn hanno scoperto su YopO, un enzima del patogeno della peste. Questo fondamentale risultato, che ora è stato pubblicato sulla rivista Angewandte Chemie , è potenzialmente di interesse anche per la ricerca sui farmaci.

Tutte le cellule viventi contengono proteine, essenziali per il mantenimento delle funzioni corporee. Le proteine ​​sono costituite principalmente da amminoacidi e, come catalizzatori (enzimi), consentire reazioni biochimiche che altrimenti non avrebbero luogo. Gli enzimi controllano ad esempio la digestione e il sistema immunitario. "Il tipo di reazioni biochimiche e il modo in cui avvengono dipende dalla struttura delle proteine, " afferma il Prof. Dr. Olav Schiemann dell'Istituto di Chimica Fisica e Teorica dell'Università di Bonn. Le proteine ​​non sono rigide, ma possono cambiare forma tramite "cerniere" mobili. Questa interazione tra struttura e dinamica determina ciò che accade. L'enzima e la sostanza da trasformare devono combaciare come una chiave e un lucchetto per catalizzare uno specifico processo.

YopO è ancorato alla membrana e quindi particolarmente stabile

Gli scienziati hanno utilizzato una proteina dei patogeni della peste (Yersinia) per la loro ricerca. Questi ingannano il sistema immunitario iniettando proteine ​​come YopO (proteina O esterna di Yersinia) nei macrofagi attaccanti. YopO si lega all'actina delle cellule difendenti, facendo sì che le cellule immunitarie non siano più in grado di avvolgere e digerire i patogeni. "Abbiamo usato YopO perché questo enzima è interessante dal punto di vista medico e può essere ancorato o immobilizzato in una membrana, " spiega Schiemann. "Quest'ultimo è un prerequisito importante per le nostre misurazioni a temperatura ambiente".

Nico Fleck del gruppo di ricerca di Schiemann ha sviluppato a questo scopo etichette di spin che sono state specificamente adattate alle indagini all'interno della cellula. Queste sono minuscole "bandiere" che il membro del team Caspar A. Heubach ha attaccato a diverse posizioni della proteina. Utilizzando il metodo DQC (Double Quantum Coherence), che funziona come un righello a livello molecolare, il membro del team Tobias Hett ha poi misurato le distanze tra le bandiere. "Se conosciamo le distanze tra le etichette di spin, possiamo dedurre quali strutture è in grado di assumere un certo enzima, " dice Hett. Funziona un po' come un "navigatore satellitare" per le molecole; dopo tutto, anche il sistema di guida per i veicoli si basa su misurazioni della distanza.

I ricercatori hanno applicato il metodo DQC a YopO in provetta e, per confronto, nelle uova della rana artigliata africana, che sono spesso usati come organismi modello nella scienza. Per le misurazioni in cella, lo YopO etichettato con le bandiere è stato iniettato nelle uova con una siringa, "molto simile a come fanno i patogeni della peste a livello molecolare, " spiega Nico Fleck. Ciò ha dimostrato che YopO era in grado di assorbire un numero maggiore di strutture diverse quando era in soluzione acquosa nella provetta rispetto alle uova. "YopO è strutturalmente più mobile nella provetta che nelle cellule viventi, " dice Schiemann. "Nelle cellule, strutture come le membrane e le interazioni con altre proteine ​​riducono la diversità strutturale di YopO."

Principio fondamentale

Questa scoperta non si applica solo a YopO, ma è un principio fondamentale:in provetta non c'è nessun "corsetto" imposto da altre strutture cellulari, le possibilità di sviluppo degli enzimi sono maggiori. I ricercatori ritengono che ciò abbia conseguenze per tutti gli studi che coinvolgono le biomolecole. "Le indagini sulle biomolecole isolate sono certamente essenziali. Per un quadro completo, però, tali strutture e dinamiche dovrebbero essere studiate nelle condizioni più naturali possibili, " dice Schiemann. Caspar Heubach aggiunge:"Se i risultati di uno studio si riferiscono a processi biomolecolari nelle cellule, uno dovrebbe, come in questo caso, anche indagare la struttura e la dinamica delle proteine ​​nelle cellule viventi".

Poiché le proteine ​​controllano diversi processi cellulari, sono anche il fulcro della ricerca di nuove cure. I ricercatori sono quindi fiduciosi che i risultati presentati dal gruppo di ricerca dell'Università di Bonn siano di potenziale interesse anche per la ricerca farmaceutica. "Le interazioni nella cellula sono importanti per la struttura e la dinamica delle proteine, ", afferma Schiemann. "Fa quindi la differenza come viene determinata la struttura degli enzimi nella ricerca di sostanze attive".