Nieuw onderzoek van het Life Sciences Institute van de University of Michigan slaat een brug van de chemie van de natuur naar groener, efficiëntere synthetische chemie.

Onderzoekers in het laboratorium van Alison Narayan analyseerden biokatalysatoren die door de natuur zijn geëvolueerd vanwege hun effectiviteit in een verscheidenheid aan synthetische chemische reacties. De resultaten, gepland voor publicatie 13 november in Natuurchemie , de deur openen naar veelbelovende praktijken voor chemici, wijzend op niet alleen efficiëntere, maar ook krachtigere hulpmiddelen voor chemici.

De onderzoekers begonnen met micro-organismen die, in de loop van de millennia, ontwikkelde complexe chemische reacties om moleculen te creëren met belangrijke biologische activiteit voor verschillende doeleinden, zoals afweermechanismen. De wetenschappers analyseerden vervolgens de chemische routes die aanleiding geven tot deze potentieel bruikbare moleculen om te bepalen hoe ze kunnen worden hergebruikt om synthetische verbindingen in het laboratorium te creëren.

"De natuur heeft katalytische hulpmiddelen ontwikkeld waarmee chemici moleculen kunnen bouwen die we niet gemakkelijk kunnen bouwen met alleen traditionele chemie, " zei Narayan, de senior studie auteur en assistent-professor aan de LSI, waar haar laboratorium zich bevindt. "Ons werk overbrugt de twee werelden van biosynthese en synthetische chemie."

Complexe bouwen, bioactieve moleculen - zoals de moleculen waarmee medicijnen de juiste biologische doelen in ons lichaam kunnen vinden - synthetische chemici gebruiken vaak een proces dat oxidatieve dearomatisering wordt genoemd. Dit proces zet platte moleculen om in driedimensionale structuren die reactiever zijn. Maar traditionele oxidatieve dearomatiseringsmethoden hebben verschillende gebreken.

Omdat ze het gebruik van een chemisch reagens nodig hebben om het uitgangsmateriaal om te zetten in het gewenste eindproduct, de reacties zelf zijn vrij verkwistend. In aanvulling, de reagentia vertonen een slechte selectiviteit bij de transformatie, resulterend in een mengsel van verbindingen die verschillende onnodige, en soms schadelijk varianten van het gewenste productmolecuul.

"Het is geen erg efficiënt proces, " zei Narayan, die ook assistent-professor scheikunde is aan het UM College of Literature, Wetenschap, en de Kunsten. "Je kunt verschillende structuren krijgen als je echt alleen deze ene specifieke structuur wilt - en je genereert veel afval in het proces."

In deze recente studie het Narayan-lab toonde aan dat enzymkatalysatoren het potentieel hebben om deze problemen op te lossen.

Enzymen zijn efficiënte katalysatoren, het genereren van veel productmoleculen uit een enkel molecuul van de katalysator, wat leidt tot minder afval. En het laboratorium van Narayan ontdekte dat de katalysatoren de reacties met verbeterde selectiviteit uitvoeren, wat betekent dat de reacties alleen de gewenste moleculaire structuur produceren.

Deze enzymen zijn nog niet algemeen toegepast door chemici omdat hun algemene bruikbaarheid en robuustheid voor chemie niet zijn aangetoond, zei Narayan.

"Het werk dat op het gebied van biosynthese wordt gedaan, richt zich voornamelijk op het begrijpen hoe moleculen in de natuur worden gemaakt en het identificeren van de enkele reactie die een enzym in zijn natuurlijke context doet, "zei ze. "We moeten uitzoeken hoe een enzym nuttig is op het gebied van synthetische chemie - wat kan het doen, met welke soorten moleculen het werkt, zodat chemici gewoon naar de literatuur kunnen gaan en zien hoe ze dit hulpmiddel kunnen gebruiken."

Narayans onderzoeksprogramma begint de kloof tussen deze twee velden te dichten door enzymen niet alleen te testen op hun natuurlijke rol, maar voor de rollen die ze in verschillende reacties konden spelen. Het lab heeft ook methoden ontwikkeld om deze enzymen gemakkelijk in bulk te verwerken en te delen met andere chemici.

"We laten zien dat deze enzymen meer kunnen dan de specifieke taak waarvoor ze in de natuur zijn geëvolueerd, " zei afgestudeerde student Summer Baker Dockrey, de hoofdonderzoeksauteur. "Ze kunnen verrassend generaliseerbaar zijn en kunnen zeer selectieve hulpmiddelen blijken te zijn."

Het lab werkt nu aan de engineering van deze enzymen om meer reacties uit te voeren.

"We zijn echt begonnen met het bouwen van de bibliotheek met nieuwe, efficiënt, krachtige hulpmiddelen voor chemici, ' zei Narayan.