Lichtschalter für Enzyme

Ob Tiere, Pflanzen, Pilze, Bakterien oder Menschen: In nahezu allen lebenden Organismen arbeiten eisenhaltige Enzyme. In der menschlichen Leber übernimmt ein solches Enzym die Aufgabe einer Art biologischen Müllverbrennung: Es oxidiert Schadstoffe, Medikamente oder körpereigene Stoffe, um sie über die Niere auszuscheiden. Zur Erfüllung seiner lebenswichtigen Aufgabe schaltet das Eisenatom im Innern des Enzyms ständig zwischen magnetischem und unmagnetischem Zustand hin- und her. Einem internationalen Forschungsteam um Professor Rainer Herges vom Institut für Organische Chemie an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist es nun gelungen, das erste, künstliche Eisen-Molekül herzustellen, dessen magnetischer Spin-Zustand über UV-Licht gezielt an- und ausgeschaltet werden kann. Spin ist als Eigendrehimpuls von Teilchen eine ihrer zentralen Eigenschaften und stellt eine Möglichkeit dar, die Funktionen von Molekülen kontrolliert zu ändern. Solche Schalter könnten außerdem für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt werden wie die Regelung weiterer enzymatischer Reaktionen, chemischer Katalysen oder der Umwandlung von Methan. Die Ergebnisse des Forschungsteams erschienen kürzlich in der renommierten Zeitschrift Nature Communications.

„Enzyme, wie das eisenhaltige Cytochrom P450 in unserer Leber, arbeiten wie eigenständige molekulare Maschinen“, erklärt Rainer Herges, Professor für Organische Chemie und Sprecher des Kieler Sonderforschungsbereichs 677 „Funktion durch Schalten“. „Ihren biologischen Funktionen liegen Schaltprozesse zugrunde, die wir erforschen und möglichst kontrollieren wollen.“ In Zusammenarbeit mit Forschenden der Ruhr-Universität Bochum, des Max-Planck-Instituts für chemische Energiekonversion und dem National Institute for Interdisciplinary Science and Technology (NIIST) in Indien haben sie jetzt einen weiteren Schritt dahin getan: Nach dem Vorbild des Cytochroms P450 entwarfen sie ein eisenhaltiges Molekül, das sie per Licht zwischen verschiedenen magnetischen Zuständen hin- und herschalten und auf diese Weise seine Eigenschaften verändern können.

Molekulare Lichtschalter setzen Enzyme in Gang

In der Leber „wartet" das Eisen-Enzym Cytochrom P450 auf Substratmoleküle wie zum Beispiel Schadstoffe, um sie unschädlich zu machen. In diesem Wartezustand ist das Enzym inaktiv und befindet sich in einem stabilen, sogenannten „low-spin"-Zustand, also einem niedrigen magnetischen Moment. Sobald sich ein Schadstoff-Molekül annähert und vom Eisen-Enzym erkannt wird, dockt das Molekül am Enzym an. Das Enzym wechselt jetzt in den „high-spin“-Zustand mit einem hohen magnetischen Moment über. In diesem Zustand kann sich zusätzlich zum Schadstoffmolekül auch Sauerstoff am Enzym anlagern. In einem mehrstufigen Prozess wird das Molekül mit Hilfe des Sauerstoffs umgewandelt und oxidiert bis es das Eisen-Enzym in unschädlicher Form wieder verlässt. Das Enzym geht in die „low-spin"-Wartestellung zurück und ist für weitere Schadstoffe bereit.