Bitki Enzimleri Ayna Görüntüsü Molekülleri Nasıl Ayırt Etti; Evrim Yolu Yeniden İnşa Edildi

Doğada sıkça rastlanan mentol ve limonen gibi moleküller, neredeyse birbirinin aynası görünen ancak koku, tat veya vücut üzerindeki etkileri bakımından büyük farklılıklar gösteren iki “ayna görüntüsü” formunda bulunur. Bu enantiomer olarak adlandırılan formlar arasında enzimlerin son derece hassas biçimde ayrım yapabilmesi, onları kimya ve ilaç sanayiinde değerli kılıyor. Ancak bu hassasiyetin doğada nasıl geliştiği büyük ölçüde belirsizdi.

Berlin Serbest Üniversitesi (Freie Universität Berlin), Avusturya’daki Graz Teknoloji Üniversitesi (Graz University of Technology) ve Amerika Birleşik Devletleri’ndeki Georgia Institute of Technology’i içeren uluslararası bir araştırma ekibi, bu evrim yollarından birini yeniden inşa etti.

Araştırmayı yöneten Dr. Bernhard Loll, Berlin’deki Biyoloji, Kimya ve Eczacılık Bölümü’nden; Profesör Robert Kourist, Graz Teknoloji Üniversitesi’nden; Profesör Lynn Kamerlin ise Georgia Institute of Technology’den geliyor. Ekip, borneol dehidrogenazları adını taşıyan bitki enzimleri grubunu inceledi. Bu enzimler kimyasal bir reaksiyonla alkol olan borneolu kampa dönüştürüyor.

Borneol da sol el ve sağ el gibi düşünülebilecek iki ayna görüntüsü formunda mevcut. Bazı enzimler bu formlardan birinin oluşumunu diğerine göre güçlü biçimde tercih ederken, bazıları borneol ile izoborneol arasında neredeyse ayrım yapmıyor.

“İki farklı borneol formuna yönelik tepkilerin enzimlerin evrimi boyunca nasıl geliştiğini gösterdik. Burada kritik olan enzimde büyük yapısal değişiklikler değil, enzimin ve bağlanan molekülün dinamiklerini etkileyen çok sayıda küçük değişikliğin bir araya gelmesi oldu” diyen Loll, çalışmanın yazarlarından biri olarak şunu ekledi: “Bu bize, enzimlerin gelecekte biyoteknolojik uygulamalar için nasıl özel biçimde tasarlanabileceğine dair önemli ipuçları veriyor.”

Araştırmacılar, bu farkın bu enimler evrimleşirken nasıl ortaya çıktığını anlamak istedi. Atasal dizi yeniden inşası (ancestral sequence reconstruction) yöntemiyle ekip, 97 bitki dizisinden oluşan borneol dehidrogenaz aile ağacından eski enzimlerin dizilerini bilişimsel olarak çıkardı, bunları laboratuvarında üretti ve karşılaştırdı.

En eski ve seçici olmayan atal olan N30 ile yüksek derecede seçici olan daha genç bir atal olan N32 karşılaştırıldı. Aralarındaki 19 amino asit değişimine (proteinlerin yapı taşları) rağmen yalnızca biri, kimyasal reaksiyonun gerçekleştiği enzimin aktif bölgesinde yer alıyordu.

Bu değişimi seçici olmayan atağa sokmak, iki borneol formuna yönelik seçiciliğini ikiye çıkardı; seçici atalda bu değişim tersine çevrildiğinde ise enzim tercihini kaybetti.

Ancak tek başına bu değişiklik seçiciliği açıklamaya yetmedi. Aktif bölgeden uzakta yer alan üç ek daha fazla değişimle birleştiğinde, N30 atalı iki formdan biri için yüksek derecede seçici hale geldi. Araştırmacılar böylece enzimin çevresel bölgelerinin de katalitik bölgede kimyasal reaksiyonu etkileyebileceğini gösterdi.

Yeniden inşa edilen enzimler başlangıçta seçiciliği açıkça açıklayabilecek belli bir yapısal fark göstermedi. Ancak bilişimsel simülasyonlar, her iki borneol formunun da enzim-substran kompleksinde farklı davrandığını ortaya koydu. Enzimle daha iyi tepkileşen formlu katalitik açıdan verimli bir konumda daha uzun süre kaldı; diğer form ise daha az sıkı tutularak çözündüğü suyla daha fazla temas edecek biçimde açıkta bırakıldı.

Sonuçlar, iki farklı borneol formuna yönelik tepkilerin enzimin evrimi boyunca nasıl geliştiğini gösteriyor. İki form arasında pek ayrım yapmayan bir enzim örneği üzerinden, proteinin çok bölgeli değişimlerin bir formun diğerine göre güçlü biçimde tercih edilmesine yol açabileceği gösterildi.

Borneol ve ayna görüntüsü formu izoborneol, ucuz biyokaynaklı ham madde olan α-pinenften karışık olarak elde edilebiliyor. Bu iki formdan biri için daha yüksek seçicilik gösteren enzimler, ilaçlarda, kozmetiklerde ve parfümlerde kullanılmak üzere bireysel molekül formlarını üretmek veya onları karışıktan ayırmak açısından yardımcı olabilir.

Bulgular, enzim mühendisliğinin aktif bölgenin ötesine bakması gerektiğini işaret ediyor; çünkü çevresel bölgelerdeki değişimler seçiciliği ince biçimde ayarlayabilir ve geleneksel tasarım stratejileri tarafından kaçırılabilir.

Araştırma, “Deciphering the evolutionary origin of the enantioselectivity of short-chain dehydrogenases from plants toward 1-borneol” başlığıyla Nature Communications dergisinde yayımlandı. Kaynak yazara göre makale DOI: 10.1038/s41467-026-76435-1 numaralıdır.

Bu çalışma, Berlin Serbest Üniversitesi tarafından aktarılan bilgilere dayanmaktadır.