Engineering carbonic anhydrase for highly selective ester hydrolysis

Sammanfattning: I denna avhandling presenteras arbete utfört med enzymet humant karboanhydras II (HCAII). Enzymer är en typ av proteiner som accelererar (katalyserar) kemiska reaktioner, vilket är nödvändigt för allt levande. Den naturliga funktionen för HCAII är att katalysera omvandlingen av gasen koldioxid till vätekarbonat, som är löslig i vätska. Detta är viktigt bl.a. för att koldioxid som bildas i kroppen, och fraktas i blodet i form av vätekarbonat, skall hinna över till utandningsluften under den korta tid blodet är i lungorna.Proteiner består av aminosyror som länkats samman i en lång kedja, där varje aminosyra är en av de 20 naturliga aminosyratyperna. Ett proteins struktur och egenskaper bestäms av aminosyrasekvensen, som i sin tur bestäms av genen för just det proteinet. Med genteknik kan ett proteins gen ändras (muteras), så att aminosyrasekvensen ändras, och det har här utnyttjats för att förändra HCAIIs katalytiska egenskaper. Förutom dess naturliga funktion kan HCAII även klyva (hydrolysera) vissa estrar. Mutationer gjordes så att en ’ficka’ i HCAIIs struktur, där molekylerna (substraten) som skall klyvas binder, fick en större volym. På så sätt skapades varianter med en kraftigt ökad kapacitet för att hydrolysera långa estersubstrat jämfört med icke-muterat HCAII. Som en utveckling av detta projekt skapades en mutant av HCAII, som kan hydrolysera ett än mer skrymmande substrat.I ett annat projekt har en ny katalytisk aktivitet skapats i HCAII, som inte utnyttjar enzymets naturliga katalytiska förmåga. Ett nytt estersubstrat konstruerades, med en del som binder kraftigt till HCAII, så att en stark substratbindning erhölls. Sedan muterades vissa aminosyror till en reaktiv aminosyra som heter histidin. Valet av positioner för mutation baserades på en datormodell av enzymet med bundet substrat. Eftersom histidin kan delta i hydrolysreaktioner, får det muterade enzymet möjlighet att klyva substratet. Flera olika mutanter testades, och den effektivaste innehöll ett nära kopplat par av histidiner. Denna mutant undersöktes mer noggrannt, vilket gav viss information om den katalytiska mekanismen.Det långsiktiga målet med detta arbete är att konstruera muterade enzymer som kan klyva giftiga ämnen, eller användas vid framställning av kemikalier. Det finns behov av nya enzymer för olika typer av substrat, och att med rationella metoder skapa nya katalytiska aktiviteter i proteiner är ett svårt vetenskapligt problem som ännu är i ett tidigt utvecklingsskede.