• 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 | 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

En succesfuld LabDays Copenhagen 2026

BranchenytTop14. 09. 2026

Traditionen tro blev LabDays Copenhagen 2026 gennemført i KB Hallen; det skete fra den 9. - 10. september – og messen var igen i år en stor succes. Messen havde små hundrede udstillere, som bød fagpublikummet velkommen med et større fagligt program. Over 2.600 fagfolk lagde vejen forbi; så det

Kemiens etik: Et overset felt med voksende betydning

AktueltArtikler fra Dansk Kemi07. 09. 2026

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. 2, 2026 og kan læses uden illustrationer,

Molekylær fødevarekemi former fremtidens mad

AktueltArtikler fra Dansk KemiFødevarekemi27. 08. 2026

Villumlegat til forsker Milena Corredig sætter fokus på struktur og funktionalitet i bæredygtige fødevarer. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Kimie Kongsøre, Institut for

Hvad bruger vi kalken til?

Artikler fra Dansk Kemi26. 08. 2026

Fra Aalborg Portlands hvide kridtgrave til de malede hvælv i Aarhus Domkirke: kalk er ikke kun geologi, men et materiale, der har båret dansk byggeri, industri, landbrug og kunsthistorie. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2026 og kan læses herunder uden illustrationer, strukturer eller

Kontrolleret osmose

Artikler fra Dansk Kemi26. 08. 2026

En metode til måling af blandingsenergi i ikke-ideale opløsninger. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Dennis Wowern Nielsen1 og Claus Helix-Nielsen21 Uafhængig forsker 2

Spiseolier – de onde, de gode og den virkelig gode

Artikler fra Dansk KemiFødevarekemi26. 08. 2026

Der er fokus på ultraforarbejdet mad. Måske skyldes megen af den dårligdom, forarbejdning nu får skyld for, snarere en ubemærket ændring i vores indtag af umættede planteolier – især i de industrialiserede lande. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2026 og kan læses uden illustrationer,

Der er forskel på thioler og thioler

Artikler fra Dansk KemiHistorisk kemi26. 08. 2026

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) I den interessante artikel om polycykliske carbonhydrider i aprilnummeret af dette blad [1] omtaltes en femleddet ring med to svovlatomer under navnet

Udnyttelse af biernes bakterier til udvikling af innovative plantebaserede fødevarer

Artikler fra Dansk KemiBioteknologi26. 08. 2026

Forskere undersøger, hvordan mælkesyrebakterier fra honningbier kan bruges til at udvikle næste generation af plantebaserede fødevarer. Ved hjælp af avanceret droplet microfluidics kan tusindvis af bakteriestammer hurtigt screenes for deres evne til at fermentere plantebaserede råvarer og producere

GC-analyse af ”håbløse” matricer

AktueltArtikler fra Dansk Kemi24. 08. 2026

Prøveforberedelse ”all-in-one”. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Jens Glastrup, MSCi ApS For nogle år siden var jeg på besøg på Ravmuseet i Thyborøn, som drives af Bjarne

Hvor kommer kalken fra?

AktueltArtikler fra Dansk Kemi17. 08. 2026

Fra kølige underjordiske gange i Mønsted til molerklinter på Fur: Danmarks hvide mineral er et aftryk af et urgammelt hav og en nøgle til at forstå, hvorfor Danmark har hårdt vand. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





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

/Nyheder

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Forudkonfigurerede R&D-pakker fra Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions til forenklet opsætning af undersøgelser

  • DENIOS ApS

    Hvilke risici skal du være opmærksom på ved tekniske gasser?

  • Busch Vakuumteknik A/S

    De 10 mest almindelige fejl ved brug af turbomolekylære vakuumpumper, og hvordan man undgår dem.

  • Holm & Halby

    Haier Biomedical går ind på markedet for rysteinkubatorer

  • Holm & Halby

    Ny generation af -86 °C frysere halverer næsten energiforbruget

  • Holm & Halby

    Holm & Halby styrker LAF-programmet med italienske FASTER

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Besøg Busch Vakuumteknik på LabDays CPH 2026

  • Drifton

    Nye digitale sprøjtepumper til præcis væskedosering

  • Drifton

    Mød Drifton og DACOS på LabDays 2026

  • Holm & Halby

    NYHED: Haier centrifuger – Se dem på LabDays

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • En succesfuld LabDays Copenhagen 2026

    14.09.2026

  • Kemiens etik: Et overset felt med voksende betydning

    07.09.2026

  • Molekylær fødevarekemi former fremtidens mad

    27.08.2026

  • Hvad bruger vi kalken til?

    26.08.2026

  • Kontrolleret osmose

    26.08.2026

  • Spiseolier – de onde, de gode og den virkelig gode

    26.08.2026

  • Der er forskel på thioler og thioler

    26.08.2026

  • Udnyttelse af biernes bakterier til udvikling af innovative plantebaserede fødevarer

    26.08.2026

  • GC-analyse af ”håbløse” matricer

    24.08.2026

  • Hvor kommer kalken fra?

    17.08.2026

  • Fra forskning til et mere sikkert kemisk arbejdsmiljø for brandfolk

    10.08.2026

  • Størrelse betyder noget

    03.08.2026

  • 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

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia ApS
Gammel Strandvej 20, 1th
DK - 2990 Nivå
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk

Privatlivspolitik
Cookiepolitik
Administrer samtykke
For at give dig de bedste oplevelser bruger vi teknologier som cookies til at gemme og/eller få adgang til enhedsoplysninger. Hvis du giver dit samtykke til disse teknologier, kan vi behandle data som f.eks. browsingadfærd eller unikke ID'er på dette websted. Hvis du ikke giver dit samtykke eller trækker dit samtykke tilbage, kan det have en negativ indvirkning på visse funktioner og egenskaber.
Funktionsdygtig Altid aktiv
Den tekniske lagring eller adgang er strengt nødvendig med det legitime formål at muliggøre brugen af en specifik tjeneste, som abonnenten eller brugeren udtrykkeligt har anmodet om, eller udelukkende med det formål at overføre en kommunikation via et elektronisk kommunikationsnet.
Præferencer
Den tekniske lagring eller adgang er nødvendig for det legitime formål at lagre præferencer, som abonnenten eller brugeren ikke har anmodet om.
Statistikker
Den tekniske lagring eller adgang, der udelukkende anvendes til statistiske formål. Den tekniske lagring eller adgang, der udelukkende anvendes til anonyme statistiske formål. Uden en stævning, frivillig overholdelse fra din internetudbyders side eller yderligere optegnelser fra en tredjepart kan oplysninger, der er gemt eller hentet til dette formål alene, normalt ikke bruges til at identificere dig.
Marketing
Den tekniske lagring eller adgang er nødvendig for at oprette brugerprofiler med henblik på at sende reklamer eller for at spore brugeren på et websted eller på tværs af flere websteder med henblik på lignende markedsføringsformål.
  • Vælg muligheder
  • Administrer tjenester
  • Administrer {vendor_count} leverandører
  • Læs mere om disse formål
Vælg fra liste
  • {title}
  • {title}
  • {title}