• 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

Mælkens caseiner er uden indre orden – men hvad gør calcium?

Artikler fra Dansk KemiFødevarekemiTop22. 06. 2026

Når calcium bindes til caseiner for biologisk transport, øges entropien, og orden mindskes tilsyneladende. Dissociation af calcium fra casein har endda negativ aktiveringsenergi. Ikke-ligevægtstermodynamik forklarer disse usædvanlige effekter af temperatur på orden og uorden under

Fra fedtsyreprofil til fedtsyrekoncentration

Artikler fra Dansk KemiFødevarekemiTop15. 06. 2026

Semikvantitativ bestemmelse af fedtsyrer i fødevarer med intern standard og GC-MS. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Daniel Halling Breiner, seniorspecialist, og Gudrun M.

Moderne forskning kræver stammekonstruktion i high-throughput

AktueltArtikler fra Dansk KemiBioteknologi09. 06. 2026

Krydsning sætter endnu engang gær i førersædet som forsøgsorganisme. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Uffe Hasbro Mortensen (professor), Thomas Strucko (post doc), Morten

Polycykliske aromatiske kulbrinter – multi-redox systemer

AktueltArtikler fra Dansk Kemi01. 06. 2026

Kombinationen af polycykliske aromatiske kulbrinter og den organiske svovlforbindelse tetrathiafulvalen giver nye multi-redox systemer. De har potentiel anvendelse inden for materialekemien som elektrisk ledende materialer, elektrokrome materialer eller som komponenter i batterier. Artiklen har

Ozon i den arktiske troposfære

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø21. 05. 2026

Ozon (O3) i atmosfæren er en vigtig klimagas – desuden er den giftig for dyr og mennesker samt skadelig for planter. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Henrik Skov, Claus

Plastik i luften – havets usynlige bidrag

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø11. 05. 2026

Springende bobler på havets overflade kan transportere mikroskopiske plastikpartikler fra vand til luft. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Eva R. Kjærgaard, Institut for Kemi,

Supporting chemical thermodynamics

AktueltArtikler fra Dansk KemiKemiteknik04. 05. 2026

The role of infrared spectroscopy The use of molecular vibrations to probe structure in hydrogen bonding liquids. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) By Evangelos Drougkas, Georgios

Aminosyrer til folk og fæ – hvad er egentlig ”L-cystin”?

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi29. 04. 2026

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) I forbindelse med EU-forordninger om fodertilsætningsstoffer (jf. Appendiks) fik Nomenklaturudvalget en forespørgsel fra en oversætter i EU om

Kemiens etik:

Artikler fra Dansk Kemi22. 04. 2026

Et overset felt med voksende betydning Kemisk forskning og teknologi påvirker i stigende grad sundhed, miljø og samfund. Derfor er der behov for større opmærksomhed på kemiens etiske dimensioner i både forskning, undervisning og faglige organisationer. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr.

Physical Unclonable Functions

Artikler fra Dansk KemiNanoteknologi22. 04. 2026

Fremtidens sikkerhedsløsninger baserer sig på tilfældige mønstre. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Thomas Just Sørensen, Nano-Science Center og Kemisk Institut, Københavns

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





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

/Nyheder

  • DENIOS ApS

    Hvordan håndterer din virksomhed et kemikaliespild?

  • DENIOS ApS

    Vind et fodboldbord til din arbejdsplads

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Skal du til spildevandsfestival på KærligHeden?

  • MD Scientific

    Opnå højere opløsning og hurtigere SEC ved FPLC-proteinoprensning med TSKgel G#000SW

  • Holm & Halby

    Laboratorieverdenen samles til VidensDag’26

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Busch Vacuum Solutions introducerer den intelligente MINK MV 0360 A ECOTORQUE klovakuumpumpe

  • Kem-En-Tec Nordic

    Sikker gelfarvning på kun 15 minutter?

  • Drifton

    Innovalloy 4000 – kemikalieresistent pumpeslange til krævende kemiske applikationer

  • Busch Vakuumteknik A/S

    ARGOS gør fabriksdriften smartere med data og forudsigelig vedligeholdelse

  • Holm & Halby

    CCA – Teknisk gennemgang af cleanroom-praksis sætter fokus på reel contamination control

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Mælkens caseiner er uden indre orden – men hvad gør calcium?

    22.06.2026

  • Fra fedtsyreprofil til fedtsyrekoncentration

    15.06.2026

  • Moderne forskning kræver stammekonstruktion i high-throughput

    09.06.2026

  • Polycykliske aromatiske kulbrinter – multi-redox systemer

    01.06.2026

  • Ozon i den arktiske troposfære

    21.05.2026

  • Plastik i luften – havets usynlige bidrag

    11.05.2026

  • Supporting chemical thermodynamics

    04.05.2026

  • Aminosyrer til folk og fæ – hvad er egentlig ”L-cystin”?

    29.04.2026

  • Kemiens etik:

    22.04.2026

  • Physical Unclonable Functions

    22.04.2026

  • Stratosfærisk ozon

    22.04.2026

  • Ti, Mo, Cs, Pr, Nd – hvad har disse fem til fælles?

    21.04.2026

  • To naturfagslærere fra slutningen af 1800-tallet

    13.04.2026

  • CleanCloud målekampagne i Nordøstgrønland

    06.04.2026

  • Svensk opfinder af pengeseddelautomaten har doneret over 538 mio. SEK til demensforskning

    25.03.2026

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