• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

Bioteknologi01. 05. 2009 | Katrine Meyn

Enzymer udnytter kaos til grundig afsøgning af overflader

Bioteknologi01. 05. 2009 By Katrine Meyn

Enzymer er langt mere effektive til at finde substratmolekyler end forventet ud fra en model af Brownske bevægelser.

Læs originalartiklen her

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2009 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.

Af Rasmus Hansen1, Thomas H. Callisen2 & Ole Hassager1
1Institut for Kemiteknik, Dansk Polymer Center, DTU. 2Novozymes R&D

Enzymer er naturens molekylære katalysatorer. I biologiske organismer forøger enzymer hastighederne, hvormed kemiske reaktioner foregår. Uden enzymer ville liv, som vi kender det, ikke kunne eksistere. Enzymer er udviklet på den evolutionære tidsskala til at katalysere specifikke kemiske reaktioner. Mennesker har siden bioteknologiens begyndelse været interesseret i at benytte naturens udviklede molekyler i en teknologisk sammenhæng. Således afhænger mange teknologiske processer af mobilitet af enzymer på substratoverflader*, herunder kan nævnes biologiske vaskemidler, fødevareproduktion samt anvendelser af mikro- og nanochips i sygdomsdiagnose. Vores viden om de underliggende mekanismer for enzymers virke er endnu mangelfuld. Reduktionistisk tankegang i forskning, såvel som nye avancerede eksperimentelle teknikker, har ført til en dybere forståelse af enzymers dynamik på mikroskopisk skala1. Men hvordan opfører enzymer sig på den større mesoskopiske skala?
Et interessant og påtrængende spørgsmål i moderne biofysisk forskning er, om enzymer, ud over at være evolutionært udviklet til substratspecificitet, desuden er optimeret til andre formål på en større tidsskala. Ved at anvende nye avancerede eksperimentelle teknikker har forskere fra Novozymes A/S nu optaget bevægelsen af et enkelt enzymmolekyle på en substratoverflade. De specielle bevægelsesmønstre afslører, at enzymer udnytter kaos til at udføre en grundigere afsøgning af en overflade end tidligere antaget.
Tekniske termer (*)
Substrat: Det molekyle enzymet virker på. Enzymer katalyserer omdannelsen af substrat til produkt ved en kemisk reaktion.
Lipase: Enzym der katalyserer spaltningen af fedtstoffer (lipider) i vand.
Diffusion: Transport af stof eller energi på basis af molekylers kaotiske bevægelser.
Mærkning: For at kunne spore enzymet anvendes fluoroforer og ”kvanteprikker”.

Enzymers kaotiske kravlen trodser klassisk forståelse
I det tidlige 19. århundrede opdagede Robert Brown pollenpartiklers kaotiske bevægelser i vand (se boks: Deterministisk kaos), nu almen kendt under benævnelsen Brownske bevægelser. En partikel, der undergår Brownske bevægelser (Brownsk partikel), bliver bombarderet med vandmolekyler fra alle sider. Statistisk set forøges afstanden x partiklen har bevæget sig proportionalt med kvadratroden af tiden t; x ~ t1/2. Denne lov, som Albert Einstein beviste i sin forklaring af Brownske bevægelser i 1905, har lige siden skabt grundlag for analyser af små partiklers kaotiske bevægelser i opløsning. Denne teori var derved også udgangspunktet, da eksperimenter med lipases* bevægelser på substratoverflader, foretaget af en gruppe forskere på Novozymes A/S [1], påviste, at enzymet flytter sig som funktion af tiden ifølge relation; x ~ t0.26. Altså med en eksponent 0.26 omtrent halvt så stor som for Brownske partikler. Denne langsommere type bevægelse står derved i kontrast til Brownske bevægelser og klassisk diffusionsteori*, og kaldes anormal subdiffusion.

Tiltrækningsenergien mellem enzymet og overfladen forklarer anomali
Det viste sig, at eksponenten 0.26 er uafhængig af graden af enzymets katalytiske aktivitet samt de eksperimentelle mærkningsprocedurer*. Eksponenten viste såkaldt universalitet. Ved anvendelse af den eksperimentelt opdagede universalitet, i en teoretisk model for anormal subdiffusion, antydes, at det er den strukturelle kompleksitet af enzymet, der bestemmer overflademobiliteten. Enzymets komplicerede struktur kan give anledning til et bredt spektrum af tiltrækningsenergier mellem enzymet og overfladen. Det følgende ujævne energilandskab kan give anledning til den observerede anormale subdiffusion. Denne opdagelse bidrager med dybere forståelse af enzymers dynamik på substratoverflader og danner grundlag for en konsistent fremtidig ramme til eksperimentel karakterisering af enzymers mobilitet. Men er der nogle fordele ved den langsommere bevægelse?

Deterministisk kaos
Determinisme betyder lovmæssighed. Betegnelsen anvendes i naturvidenskaben om systemer, der er underlagt eksakte love uden tilfældige påvirkninger (støj). Eksempler på deterministiske systemer er Newtons love fra den klassiske mekanik og Maxwells love for elektrodynamikken. Deterministisk kaos er dynamik, der forekommer tilfældig på trods af, at det observerede system er deterministisk og derved ikke underlagt tilfældige påvirkninger. Deterministisk kaotiske systemer forekommer regelmæssige på korte tidsskalaer, men med tiden bliver regelmæssighed udvisket, og systemets kaotiske natur medfører tilsyneladende tilfældighed. Tænk for eksempel på en terning der forlader din hånd på vej imod spillebordet. Først forudsigelighed – dernæst tilfældighed – klart deterministisk (Newtons 2. lov).

Brownske bevægelser kontra anormal subdiffusion
Albert Einstein forklarede, i en af sine berømte artikler fra 1905, hvorfor Brownske partikler følger relationen; x ~ t1/2. Einstein havde indsigt i universets – og derved også vandets – opdeling i molekyler, der kolliderer med partiklen. Hans forklaring af Browns forsøg er baseret på antagelsen om eksistens af en mikroskopisk tidsskala t, der refererer til den tid, der typisk går imellem kollisioner mellem partiklen og vandmolekyler. Grundet molekylært kaos vil partiklens bevægelse forekomme uregelmæssig og tilfældig. Hvis man venter lang tid nok (T = stort tal x t) vil partiklen typisk have bevæget sig en givet afstand l i en tilfældig retning. Tiden T siges at separere mikro- og makroskopisk skala, regelmæssighed og tilfældighed. Man kan nu forestille sig at betragte bevægelsen af partiklen som skridt af afstanden l i tilfældige retninger, hvert T’ende sekund. I teoretisk fysik kaldes dette en renormalisering af tid og rum. Det er vigtigt at understrege, at vores eneste antagelse er eksistens af en tidsskala t for molekylære kollisioner samt en tilhørende længdeskala l, hvorpå molekylært kaos har udvisket forudsigeligheden af partiklens retning. På basis af disse antagelser kan man ved brug af simpel sandsynlighedsregning beregne Browns observerede lov, x ~ t1/2. For at enhederne stemmer kræves, at proportionalitetskonstanten har størrelsesorden lT-1/2. Den fundamentale forskel på Brownske bevægelser og anormal subdiffusion er, at der for anormal subdiffusion ikke eksisterer nogen mikroskopisk tidsskala, hvilket resulterer i at det mikroskopiske og det makroskopiske ikke kan separeres. Fraværet af denne mikroskopiske tidsskala skyldes, at den begrænsende faktor for dynamikken ikke længere er kollisioner mellem vandmolekylerne og partiklen. Dynamikken er nu styret af et ujævnt energilandskab, der stammer fra tiltrækning mellem partiklen og overfladen. Energien spænder over så bredt et spektrum, at der ikke eksisterer en typisk tidsskala – partiklen kan ved den rette orientering og konfiguration sidde fast et bestemt sted på overfladen på ubestemt tid. Sammenlignet med Brownske bevægelser medfører dette en langsommere dynamik bestemt ved x ~ ta, hvor eksponenten a < 0.5. Partiklen bremses, så at sige, mens den bumper gennem et ujævnt energilandskab.

Enzymet er en tålmodig opdager
Fra et molekylært evolutionsmæssigt perspektiv lader det til, at naturen har udviklet kemiske katalysatorer, der udnytter molekylært kaos til fordelagtig dækning af overflader. Det er på basis af teorien for tilfældige bevægelser (stokastisk dynamik) muligt at udregne kompaktheden C af lipasens bane; C ~ 1/(alnt), hvor a er den ovenfor omtalte eksponent. Vi bemærker to ting fra dette udtryk: 1) Kompaktheden ses at aftage som funktion af tiden. 2) Under sammenligning med Brownske bevægelser (a = 0,5) ses, at den langsommere dynamik af anormal subdiffusion, grundet den lavere eksponent a = 0,26, er assisteret af en mere kompakt dækning af overflader (se også figuren). Af denne grund kan lipase med rette kaldes en “tålmodig opdager”. Hvis vi forestiller os en substratoverflade, hvor der placeres lipaser, kan man tilsvarende beregne sandsynligheden for at et bestemt område på overfladen besøges af et lipase molekyle. Resultatet, som dog er en anelse mere matematisk kompliceret, viser at denne sandsynlighed forøges med aftagende eksponent. Altså vil den anormale subdiffusion, ved sammenligning med Brownske bevægelser, medføre at substratmolekyler oftere møder et enzym. Vi siger, at substratets overlevelsessandsynlighed aftager. Enzymet udnytter derved det kaotiske miljø i vandet samt tiltrækning til overfladen, til at afsøge overfladen på en grundigere måde end først antaget på basis af teorien for Brownske bevægelser.

Fremtiden
Resultaterne har givet fornyet indsigt i enzymers dynamik på makroskopiske tidsskalaer og antages på sigt at assistere optimeret design af bioteknologiske processer. Resultaterne giver desuden anledning til flere lovende veje for fremtidige eksperimentelle og teoretiske studier af mobilitet af komplekse biologiske makromolekyler på overflader. Det er sandsynligt at enzymforskning i det 21. århundrede vil klarlægge yderligere detaljer af de molekylære mekanismer der ligger bag disse kompakte bevægelsesmønstre.

Rasmus Hansen takker Novozymes A/S for økonomisk support.

1) Nye udviklinger flytter konstant grænsen for definitionen af mikroskopisk skala. I dag er 10-15 s og 10-10 m passende tids- og rumskala. Mesoskopisk skala er betegnelsen for en mellemliggende tids- og rumskala, hvor atomare detaljer er underordnede, mens statistisk midlede størrelser såsom diffusionsflux og koncentration kan defineres.

Referencer
1. A. W. Sonesson, U. M. Elofsson, T. H. Callisen & H. Brismar, Tracking Single Lipase Molecules on a Trimyristin Substrate Surface Using Quantum Dots, Langmuir 2007, 23, 8352-8356.

Til venstre: Det ujævne energilandskab, der stammer fra energetisk tiltrækning mellem enzymet og overfladen giver anledning til den kompakte afsøgning af overfladen: Enzymet er en “tålmodig opdager”.
Til højre: Det jævne energilandskab for frie Brownske partikler giver anledning til en mindre kompakt afsøgning af overfladen.

Skrevet i: Bioteknologi

Seneste nyt fra redaktionen

Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

Analytisk kemiArtikler fra Dansk KemiTop09. 05. 2025

Advances in chemical ionization mass spectrometry can improve our understanding of atmospheric composition. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Varun Kumar, Institut for

Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

AktueltArtikler fra Dansk KemiBioteknologi02. 05. 2025

Oldgamle CO2-ædende mikroorganismer kan fange CO2 direkte fra skorstensrøg og omdanne kulstoffet til grønne molekyler. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Mads Ujarak Sieborg1 og

Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø28. 04. 2025

Tilstedeværelsen af PFAS-forbindelser skyldes ikke kun lokale kilder, men de kan langtransporteres i luften til selv meget fjerntliggende arktiske egne. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen

Biotek-firma bag fedme-medicin på tabletform har lagt en klar plan om samarbejde eller opkøb

AktueltMedicinalkemi21. 04. 2025

I dag er det frem med nålen, hvis man er i behandling med diverse former for fedme-medicin. Det hæmmer imidlertid udbredelsen på specielt asiatiske og afrikanske markeder, hvor der er en udtalt nålefobi. Derfor arbejder det danskstiftede biotekselskab Pila Pharma med at få udvikle deres

Dansk virksomhed vil vende produktionen af ammoniak på hovedet – ned i en lille container

AktueltBioteknologiFødevarekemi07. 04. 2025

NitroVolt, en dansk biotech-virksomhed, vil vende produktionen af ammoniak på hovedet. I stedet for den velkendte løsning, der bygger på den energitunge Haber-Bosch-proces, vil produktionen nu foregå i en container, der fx kan stå direkte ude hos en landmand. Ammoniak til kunstgødning er en slags

En EU-historie om nomenklatur – og ginseng til hunde, katte og heste!

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi01. 04. 2025

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 6, 2024 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Læs originalartiklen her Nomenklaturudvalget får indimellem henvendelser om dansk kemisk nomenklatur fra de oversættere i EU, hvis opgave det er at oversætte EU-lovgivning på

Tysk elektrolyseanlæg er som det første i verden blevet integreret direkte i kemisk produktion

AktueltEnergi31. 03. 2025

Efter en byggeperiode på omkring to år, er BASF nye 54 megawatt elektrolyseanlæg blevet indviet. Udover at være Tyskland største, med en kapacitet til at producere op til 8.000 ton grøn brint årligt, skriver det også historie på et andet område. Brinten skal primært anvendes som råmateriale i

Dansk innovation blander sig i toppen over lande med de fleste patentansøgninger

AktueltBranchenyt31. 03. 2025

Danske virksomheder er fortsat nogle af de mest aktive i Europa til at innovere. Det viser nye tal fra Den Europæiske Patentmyndighed, EPO, som udsteder patenter, der kan dække i op til 45 lande. Vestas, Novozymes og Danmarks Tekniske Universitet har leveret de største bidrag til, at Danmark kan

Ny grundbog tager studerende på videregående uddannelser ind i den basale kemi

Branchenyt26. 03. 2025

Hvad er kemi? Hvad er de teoretiske perspektiver ved kemi? Og hvordan påvirker kemi vores hverdagsliv? Det er udgangspunktet for en ny grundbog til de studerende på de videregående uddannelser, som giver en introduktion til almen, uorganisk og organisk kemi. Bogen gennemgår, hvordan stoffer,

Nedrivningsarbejdere i kontakt med PCB slipper med skrækken – kun lave niveauer i blodet

Arbejdsmiljø/IndeklimaKlima og miljø25. 03. 2025

Ingen alarm, men hold fokus på sikkerhed og hygiejne. Den besked blev givet til 62 medarbejdere, som forskere fra Det Nationale Forskningscenter for Arbejdsmiljø (NFA) har fulgt over to år. Forskerne har undersøgt niveauerne af miljøgiften PCB i blodet hos nedrivere, der blandt andet har arbejdet

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • DENIOS ApS

    Ved du, hvornår det er tid til at vedligeholde, udskifte eller flytte dit opsamlingskar?

  • DENIOS ApS

    3 sikkerhedsfunktioner, du skal kigge efter på dit opsamlingskar

  • Holm & Halby

    VidensDage 2025: To dage i videnskabens og fremtidens tegn

  • Holm & Halby

    Holm & Halby deltager i Europe Biobank Week 2025

  • LABDAYS – Fagmesse for Laboratorieteknik

    LabDays – Almost sold out

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Busch på IFFA 2025: Vacuum Diagnostics til intelligente vakuumløsninger til kødforarbejdning

  • Mikrolab – Frisenette A/S

    NYHED: IKA er tilbage med IKA Specials tilbudsavis

  • DENIOS ApS

    Glemmer du service? Her er konsekvenserne

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Vakuumsystemer: En guide til turn-key projekter

  • DENIOS ApS

    Tid til serviceeftersyn?

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

    09.05.2025

  • Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

    02.05.2025

  • Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

    28.04.2025

  • Biotek-firma bag fedme-medicin på tabletform har lagt en klar plan om samarbejde eller opkøb

    21.04.2025

  • Dansk virksomhed vil vende produktionen af ammoniak på hovedet – ned i en lille container

    07.04.2025

  • En EU-historie om nomenklatur – og ginseng til hunde, katte og heste!

    01.04.2025

  • Tysk elektrolyseanlæg er som det første i verden blevet integreret direkte i kemisk produktion

    31.03.2025

  • Dansk innovation blander sig i toppen over lande med de fleste patentansøgninger

    31.03.2025

  • Ny grundbog tager studerende på videregående uddannelser ind i den basale kemi

    26.03.2025

  • Nedrivningsarbejdere i kontakt med PCB slipper med skrækken – kun lave niveauer i blodet

    25.03.2025

  • Styrkelse af nyfundet gen kan gøre kartoflen resistent over for svampeangreb

    24.03.2025

  • Fra forskning i nanosikkerhed til mere sikker håndtering af nanomaterialer i det danske arbejdsmiljø

    21.03.2025

  • Dansk forbud mod PFAS er lige på trapperne – indsigelsesfrist mod 2024-aftale er overskredet

    20.03.2025

  • Flere elbiler og mindre ammoniak kan nu måles i en form af en bedre luftkvalitet

    19.03.2025

  • Forskere står bag hybridost med 25 procent ærteprotein – men med samme smag og tekstur

    18.03.2025

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk
Privatlivspolitik
Cookiepolitik