Isolation of oxygen-dependent nicotine- and pseudooxynicotine-metabolizing enzymes

Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach einem biologischen Weg, um den Griff der Nikotinsucht zu lockern. Die Idee ist simpel: Wenn man dem Körper ein Enzym zuführen könnte, das Nikotin zerstört, bevor es das Gehirn erreicht, könnte das Verlangen zu rauchen verschwinden. Die Natur hat bereits einen Kandidaten für diese Aufgabe bereitgestellt. Ein im Boden vorkommendes Bakterium, Pseudomonas putida, produziert ein Enzym namens NicA2, das Nikotin in eine harmlose Substanz umwandeln kann. Diese natürliche Version hat jedoch einen entscheidenden Mangel. Innerhalb des Bakteriums arbeitet das Enzym wie eine spezialisierte Maschine, die einen spezifischen Partner benötigt, ein winziges Protein namens Cytochrom, um zu funktionieren. Ohne diesen Partner arbeitet das Enzym unglaublich langsam und reagiert so träge mit Sauerstoff, dass es massive, unpraktikable Dosen erfordern würde, um bei einem menschlichen Patienten zu wirken. Forscher haben versucht, dies im Labor durch die Anpassung der Struktur des Enzyms zu beheben, um es schneller zu machen, sind dabei aber an eine Grenze gestoßen. Das Enzym weigert sich schlichtweg, von selbst wesentlich schneller im Umgang mit Sauerstoff zu werden.

Um eine bessere Lösung zu finden, beschloss ein Forscherteam, aufzuhören, die alte Maschine zu reparieren, und stattdessen nach einer völlig neuen zu suchen. Sie machten Jagd auf Boden und Tabakabfälle nach Bakterien, die Nikotin als einzige Nahrungsquelle fressen könnten, in der Hoffnung, ein natürlich evolviertes Enzym zu finden, das effizient mit Sauerstoff arbeitet. Sie fanden genau das, wonach sie suchten, in einem Bakterienstamm namens Peribacillus frigoritolerans NIC8. Dieser Mikroorganismus, der aus einer ungerauchten Zigarette isoliert wurde, besitzt ein einzigartiges Set an Enzymen, die als echte Oxidationsmittel fungieren. Im Gegensatz zum langsamen, partnerabhängigen NicA22 können diese neuen Enzyme, genannt Ncox und Pnox, Nikotin und seinen chemischen Cousin Pseudooxynicotin greifen und diese unter Verwendung des Sauerstoffs aus der Luft schnell abbauen. Die Geschwindigkeit, mit der sie arbeiten, ist fast tausendmal höher als die des ursprünglichen NicA2, wenn Sauerstoff als Brennstoff dient, was einen vielversprechenden neuen Weg für die Behandlung von Sucht bietet.

Die Reise begann mit einer einfachen Beobachtung. Die Forscher nahmen Proben aus Tabakfeldern und Zigarettenstummeln und platzierten sie auf Platten, auf denen Nikotin die einzige verfügbare Nahrung war. Die meisten Bakterien verhungerten, aber eine Kolonie wuchs kräftig. Die genetische Analyse identifizierte diesen Überlebenden als einen Stamm von Peribacillus frigoritolerans, eine Spezies, die zwar bereits bekannt war, aber nicht für das Fressen von Nikotin bekannt war. Als die Forscher einen spezifischen, 123.000 Basenpaare langen DNA-Ring, bekannt als Plasmid, aus dem Bakterium entfernten, verlor der Organismus sofort die Fähigkeit, auf Nikotin zu wachsen. Dies bewies, dass das Geheimnis seiner Ernährung auf diesem zusätzlichen Stück genetischen Materials kodiert war. In diesem Plasmid fanden das Team zwei Gene, die direkt nebeneinander liegen und die sie ncox und pnox nannten. Diese Gene produzierten Enzyme, die dem berühmten NicA2 ähnlich sahen, aber unterschiedlich genug waren, um darauf hindeuten, dass sie sich separat entwickelt hatten.

Um zu verstehen, wie diese Enzyme funktionieren, produzierten die Forscher sie im Labor mithilfe von E. coli-Bakterien und beobachteten sie bei der Arbeit. Sie stellten fest, dass das Ncox-Enzym, wenn es auf Nikotin traf, fast augenblicklich von gelb zu klar wurde – ein visuelles Zeichen dafür, dass es das Nikotin chemisch veränderte. Das Pnox-Enzym tat dasselbe, wenn es auf Pseudooxynicotin traf, eine Substanz, die natürlich entsteht, wenn das erste Produkt des Nikotinabbaus an der Luft liegt. Entscheidend war, dass keines der Enzyme ein Partnerprotein benötigte, um dies zu tun; sie arbeiteten direkt mit dem Sauerstoff aus der Luft. Als die Forscher die Geschwindigkeit dieser Reaktion maßen, fanden sie heraus, dass Ncox Nikotin mit einer Rate von 7,7 Mal pro Sekunde verarbeiten kann, während Pnox sein Ziel mit 3,9 Mal pro Sekunde verarbeitet. Diese Zahlen sind weitaus überlegen gegenüber dem ursprünglichen NicA2, das allein bei der Arbeit mit Sauerstoff nur etwa 0,007 Reaktionen pro Sekunde bewältigt.

Die Forscher untersuchten auch, wie diese Enzyme mit dem Sauerstoffmolekül selbst umgehen. In einem Prozess, den man transiente Kinetik nennt, mischten sie die Enzyme mit Sauerstoff in einer Schnellflussmaschine, um die exakte Geschwindigkeit der Reaktion zu messen. Sie fanden heraus, dass Ncox und Pnox mit Sauerstoff mit Raten von 51.100 bzw. 81.000 pro Sekunde pro Einheit der Konzentration reagieren. Diese Raten sind vergleichbar mit anderen hocheffizienten Enzymen in der Natur, die als wahre Oxidationsmittel bekannt sind, und sie sind tausende Male schneller als NicA2. Dies bestätigte, dass die neuen Enzyme nicht nur leicht verbesserte Versionen der alten sind, sondern fundamental andere Maschinen, die von der Evolution dazu entworfen wurden, in einer sauerstoffreichen Umgebung ohne einen Cytochrom-Partner zu arbeiten.

Um zu beweisen, dass diese Enzyme tatsächlich den fehlenden Partner in einem biologischen System ersetzen könnten, führten die Forscher ein Rettungsexperiment durch. Sie nahmen einen Stamm des ursprünglichen Pseudomonas putida-Bakteriums, das genetisch so verändert worden war, dass ihm sein Cytochrom-Partner fehlte, was es unfähig machte, Nikotin zu verwerten. Als sie diesem geschwächten Bakterium das Gen für das neue Ncox-Enzym gaben, erlangte das Bakterium sofort die Fähigkeit zurück, auf Nikotin zu wachsen. Tatsächlich wuchsen die Bakterien mit dem neuen Ncox-Enzym sogar schneller, als sie es mit der besten im Labor gezüchteten Version des alten NicA2 taten. Dies demonstrierte, dass das neue Enzym unabhängig und effizient in einem lebenden System funktionieren kann, indem es die komplexe Zellmaschinerie umgeht, die das ursprüngliche Enzym erforderte.

Die Studie enthüllte auch, wie die Bakterien diese Enzyme regulieren. Durch den Vergleich der genetischen Aktivität der Bakterien beim Wachstum auf Nikotin im Vergleich zum Wachstum auf einer anderen Nahrungsquelle sahen die Forscher, dass die Gene für Ncox und Pnox hochgefahren wurden, wenn Nikotin vorhanden war. Dies deutet darauf hin, dass die Bakterien diese Enzyme natürlich nutzen, um Nikotin zu verdauen, wenn sie ihm in ihrer Umgebung begegnen. Die genetische Analyse zeigte weiter, dass diese Enzyme wahrscheinlich von einem gemeinsamen Vorfahren aus anderen Bakterien abstammen, aber einen anderen evolutionären Pfad einschlugen als das in Bodenbakterien vorkommende NicA2. Während NicA2 an das Cytochrom-System gebunden blieb, entwickelten sich diese neuen Enzyme direkt zur Nutzung von Sauerstoff, möglicherweise weil die spezifische Umgebung, in der sie leben, diese einfachere, schnellere Methode begünstigte.

Die Auswirkungen dieser Entdeckung sind bedeutend für die Zukunft der Suchtbehandlung. Das primäre Ziel, Enzyme zur Behandlung der Nikotinsucht einzusetzen, besteht darin, die Droge schnell genug aus dem Blutkreislauf zu entfernen, um zu verhindern, dass das Gehirn den „High“-Effekt spürt. Das ursprüngliche NicA2-Enzym war zu langsam, um dies ohne enorme Dosen zu leisten, die schwierig und teuer herzustellen gewesen wären. Das neue Ncox-Enzym mit seiner Fähigkeit, schnell mit Sauerstoff zu arbeiten, bietet eine viel praktischere Lösung. Es ist ein natürlich vorkommendes, hocheffizientes Werkzeug, das nicht die komplexen Zellpartner benötigt, die die Leistung seiner Vorgänger einschränken. Während die Forscher anmerken, dass das Enzym noch weitere Tests benötigt, um zu sehen, ob es für die Anwendung beim Menschen optimiert werden kann, liefert die Entdeckung einen leistungsstarken neuen Kandidaten, den die Natur bereits verfeinert hat, um mit der für einen therapeutischen Effekt notwendigen Geschwindigkeit zu arbeiten.