Onderzoekers van de TU Graz slaagden er voor het eerst ooit in om een ​​enzym te 'hertrainen' om ringvormige moleculaire structuren te bouwen in plaats van zijn natuurlijke taak uit te voeren om dubbele bindingen te verminderen. Het werk is gepubliceerd in Angewandte Chemie , en is relevant voor de productie van geneesmiddelen en gewasbeschermingsmiddelen.

Biokatalyse gebruikt enzymen om chemische reacties teweeg te brengen. Dit soort 'zachte chemie' vervangt in hoge mate het gebruik van giftige reagentia of oplosmiddelen in bestaande syntheses. Echter, een grote uitdaging in biokatalyse is om dit concept uit te breiden naar volledig nieuwe chemische reacties die tot nu toe niet toegankelijk zijn voor enzymen die in de natuur voorkomen. Een dergelijk nieuw ontwerp is gemaakt door een team van onderzoekers van de TU Graz onder leiding van Rolf Breinbauer, hoofd van het Instituut voor Organische Chemie, en Kathrin Heckenbichler, die dit onderzoek uitvoert in het kader van een doctoraatsthesis aan het Institute of Organic Chemistry. Breinbauer zegt, "Voor de eerste keer, we zijn erin geslaagd een enzym te manipuleren om niet zijn natuurlijke functie uit te voeren, maar eerder een veel interessantere functie in termen van synthese. In plaats van dubbele bindingen in een katalytisch proces te verminderen, het enzym creëert nu moleculaire structuren in de vorm van kleine ringen. Door slechts één aminozuur in het actieve centrum van het enzym uit te wisselen, we zijn erin geslaagd de natuurlijke reactie te onderdrukken en hebben een nieuw reactieverloop mogelijk gemaakt."

Het team onder leiding van Heckenbichler en Breinbauer was in staat om 'cyclopropanen, ' extreem kleine ringvormige moleculen in de vorm van een driehoek, met behulp van biokatalyse. Dergelijke ringsystemen, ook wel drieringsystemen genoemd, komen niet alleen voor in veel biomoleculen, ze zijn ook een belangrijk structureel element in gewasbeschermingsmiddelen en in geneesmiddelen zoals anticonceptiepillen, geneesmiddelen die worden gebruikt om astma- en aidsmedicijnen te behandelen. Het werk is gepubliceerd in het huidige nummer van Angewandte Chemie .

De goede en de slechte 'hand' van het molecuul

Parallel hieraan, de onderzoekers slaagden er ook in om de chiraliteit van het geproduceerde molecuul onder de knie te krijgen, wat van groot belang is bij de productie van medicijnen. chiraliteit, of de 'handigheid' van moleculen, beschrijft hoe twee moleculen van hetzelfde atoom op een spiegelbeeldige manier kunnen worden gestructureerd - rechtshandig of linkshandig. De ene variant van deze enantiomeren kan nuttig zijn en de andere schadelijk, en er wordt tegenwoordig veel waarde gehecht aan het gebruik van alleen de curatieve variant bij de productie van medicijnen. Dit zorgt ervoor dat medicijnen heel specifiek werken en dat er geen ongewenste bijwerkingen optreden door zogenaamde chirale tweelingen. Kathrin Heckenbichler legt het proces en het resultaat van de biokatalytische implementatie van het substraat uit:"Om een ​​optimale chirale herkenning tussen enzym en substraat mogelijk te maken, we ontwierpen een substraat met een groot residu. Door dit te doen, we zouden idealiter de ruimtelijke omstandigheden in het actieve centrum van het enzym kunnen benutten om een ​​cyclopropaan met een hoge enantiomere zuiverheid te produceren." De onderzoekers slaagden erin om alleen het gewenste enantiomeer te produceren van de twee mogelijke chirale drieringige moleculen.

Het onderzoeksteam van de TU Graz slaagde erin om een ​​belangrijke uitbreiding van hun biokatalytische repertoire door te voeren om de deur te openen naar diverse toepassingen, met name in de 'groene' productie van nieuwe medicijnen en de economische productie van generieke geneesmiddelen, aromastoffen en gewasbeschermingsmiddelen. Het doel van deze zogenaamde groene chemie, waaraan biokatalyse kan worden toegeschreven, is het gebruik van milde en milieuvriendelijke reagentia, milieuvervuiling bevatten, en bespaar energie en kosten.