Ερευνητές από το Manchester Institute of Biotechnology ανέπτυξαν μια νέα οικογένεια τροποποιημένων ενζύμων που μπορούν να δημιουργούν διαφορετικούς τύπους χημικών δεσμών, οι οποίοι είναι απαραίτητοι για την παραγωγή σύνθετων μορίων.
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο Nature Catalysis, δείχνει ότι τεχνητά ένζυμα μπορούν να προσαρμοστούν ώστε να πραγματοποιούν επιλεκτικά αντιδράσεις σχηματισμού δεσμών άνθρακα-άνθρακα και άνθρακα-αζώτου. Οι συγκεκριμένοι δεσμοί αποτελούν βασικά δομικά στοιχεία φαρμακευτικών ουσιών, χημικών προϊόντων και προηγμένων υλικών.
Ένας νέος τύπος τεχνητών ενζύμων
Οι ερευνητές τροποποίησαν πρωτεΐνες εισάγοντας ένα μη φυσικό καταλυτικό αμινοξύ. Με αυτόν τον τρόπο δημιούργησαν μια νέα κατηγορία ενζύμων, τις allylic transferases, που σχηματίζουν εξαιρετικά δραστικά ενδιάμεσα ιμιδαζολίου.
Τα ενδιάμεσα αυτά μπορούν στη συνέχεια να αντιδράσουν με διαφορετικά μόρια που περιέχουν άνθρακα ή άζωτο, οδηγώντας επιλεκτικά σε μια μεγάλη ποικιλία προϊόντων.
Υψηλή απόδοση και στερεοχημική ακρίβεια
Η ομάδα χρησιμοποίησε κατευθυνόμενη εξέλιξη για να βελτιώσει την απόδοση των ενζύμων. Μία από τις παραλλαγές, η ASB1.3, πέτυχε μετατροπή άνω του 99% σε αρκετές αντιδράσεις, παράγοντας προϊόντα με υψηλή στερεοχημική καθαρότητα.
Σε πείραμα μεγαλύτερης κλίμακας, το ίδιο ένζυμο πέτυχε μετατροπή 98%.
Μια δεύτερη παραλλαγή, η ASA1.5, επέτρεψε τον σχηματισμό μορίων με τεταρτοταγή στερεοκέντρα αποτελούμενα αποκλειστικά από άνθρακα, δομές που είναι ιδιαίτερα δύσκολο να παραχθούν επιλεκτικά με συμβατικές μεθόδους. Και σε αυτή την περίπτωση επιτεύχθηκε μετατροπή 98%.
Μεγάλη ποικιλία χημικών αντιδράσεων
Τα τροποποιημένα ένζυμα λειτούργησαν με πολλές διαφορετικές κατηγορίες μορίων, μεταξύ των οποίων υποκατεστημένα φουράνια, ινδόλες, πυρρόλες, κυανοεστέρες, δικετόνες, κετοεστέρες, ανιλίνες και ισατίνες.
Στις αντιδράσεις που εξετάστηκαν, τα ένζυμα παρήγαγαν κυρίως ένα μόνο προϊόν, χωρίς ανιχνεύσιμα ανεπιθύμητα παραπροϊόντα πέρα από την αποχωρούσα ομάδα που χρησιμοποιήθηκε για την παρακολούθηση της αντίδρασης.
Νέες δυνατότητες στη βιοκατάλυση
Η δομική ανάλυση έδωσε επίσης στοιχεία για τον τρόπο με τον οποίο τα ένζυμα επιτυγχάνουν τόσο υψηλή επιλεκτικότητα. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι μια ομάδα παρα-νιτροφαινόλης που απελευθερώνεται κατά την αντίδραση παραμένει στην ενεργό περιοχή του ενζύμου και συμβάλλει στον σωστό προσανατολισμό των αντιδρώντων μορίων.
Η έρευνα διευρύνει σημαντικά το «εργαλειοθήκη» της βιοκατάλυσης, δείχνοντας ότι οι πρωτεΐνες μπορούν να σχεδιαστούν ώστε να πραγματοποιούν χημικούς μετασχηματισμούς που είναι δύσκολο να επιτευχθούν με τους υπάρχοντες καταλύτες μικρών μορίων.
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι η προσέγγιση θα μπορούσε να αποτελέσει βάση για την ανάπτυξη νέων ενζυμικών πλατφορμών με μεγαλύτερη ευελιξία και ακρίβεια στη σύνθεση σύνθετων χημικών ενώσεων.
