Millionenförderung: Steuerung chemischer Reaktionen in Enzymen erforschen
Auf den Punkt gebracht
- Die VolkswagenStiftung fördert ein neues Verbundprojekt unter Göttinger Leitung mit knapp zwei Millionen Euro über insgesamt fünf Jahre über ihr Förderangebot „NEXT – Quantum Biology“.
- Mit der Förderung möchte die Stiftung interdisziplinäre Teams stärken, die neue methodische Ansätze entwickeln, um Quanteneffekte in biologischen Systemen experimentell und theoretisch zugänglich zu machen.
- Projektbeteiligte sind die Universität Göttingen, das Max-Planck-Institut (MPI) für Multidisziplinäre Naturwissenschaften und die Universität Hamburg.
- Ziel der Studie ist es zu entschlüsseln, wie Enzyme chemische Reaktionen mit nahezu perfekter Präzision und Effizienz ausführen.
„Wir möchten herausfinden, wie Enzyme als hocheffiziente Katalysatoren der Natur elektrische Felder nutzen, um chemische Reaktionen schnell, selektiv und unter milden Bedingungen zu steuern“, erklärt Projektsprecher Ricardo Mata von der Universität Göttingen. Während technische Prozesse häufig extreme Temperaturen oder hohen Druck erfordern, arbeiten Enzyme effizient und nachhaltig in wässriger Lösung bei Körpertemperatur. Ziel des Forschungsprojekts ist ein vertieftes Verständnis enzymatischer Reaktionen, das langfristig Entwicklungen in Chemie, Materialwissenschaften und Medizin unterstützen soll.
Experimentelle und theoretische Ansätze kombinieren
Durch die Kombination modernster Röntgendaten mit fortschrittlichen quantenchemischen Modellen schlägt das Team eine Brücke zwischen Strukturbiologie und Quantenphysik. Ricardo Mata und Marti Gimferrer von der Fakultät für Chemie der Universität Göttingen werden neue quantenchemische Modelle entwickeln, um elektronische Strukturen und Eigenschaften zu beschreiben. Parallel dazu bringen Anna Krawczuk, ebenfalls Fakultät für Chemie, Ashwin Chari vom MPI und Arwen Pearson von der Universität Hamburg modernste Röntgenkristallografie und zeitaufgelöste Strukturmethoden ein. Experimentelle und theoretische Ansätze sind so eng verzahnt, um die Rolle lokaler elektrischer Felder in Enzymen präzise abzubilden und ihre Funktion im Reaktionsgeschehen sichtbar zu machen. „Mithilfe einer neuartigen Kombination aus Röntgenkristallografie und quantenchemischen Simulationen wollen wir aufdecken, wie Enzyme die elektronische Struktur einzelner Moleküle modulieren“, erklärt Mata.
Neue Ansätze für Biotechnologie und Wirkstoffentwicklung
Ein zentraler Baustein ist dabei ein neues Modell zur Beschreibung von Atomladungen. Es wird gemeinsam mit hochaufgelösten Enzymstrukturen eingesetzt, um katalytisch relevante Zustände und die feine Abstimmung elektronischer und protonischer Bewegungen zu charakterisieren. Zeitaufgelöste Experimente sollen darüber hinaus die Dynamik während des Reaktionsverlaufs erfassen. „Wenn elektrische Felder von Enzymen gezielt genutzt werden, könnte dies zu neuen Biokatalysatoren für eine nachhaltige Chemie führen oder die Wirkstoffentwicklung voranbringen“, ergänzt Chari.
(Nach einer Pressemitteilung der Universität Göttingen)