De scheikundigen van Princeton hebben een manier gevonden om een ​​natuurlijk voorkomend enzym een ​​nieuwe, kunstmatige rol, die belangrijke implicaties heeft voor de moderne scheikunde, inclusief farmaceutische productie. Hun werk verschijnt in het tijdschrift Natuurchemie .

"We hebben een compleet nieuwe manier gevonden om enzymen een niet-natuurlijke reactie te laten doen, " zei Todd Hyster, een assistent-professor scheikunde. "Een traditioneel perspectief zegt dat enzymen maar één ding zullen doen. Dit artikel laat zien dat dit misschien niet voor alle enzymen geldt. Wat nog belangrijker is, de in dit artikel beschreven strategie kan mogelijk worden toegepast op andere enzymfamilies, wat betekent dat we deze benadering kunnen gebruiken om volledig nieuwe enzymatische reacties uit te vinden. Ik denk dat dit het potentieel heeft om de manier waarop we moleculen bouwen te veranderen."

Enzymen zijn de katalysatoren van de natuur, de sleutels om kritische biochemische reacties snel genoeg te laten plaatsvinden om het leven in stand te houden. Organische chemici maken hier al meer dan 100 jaar gebruik van, maar tot nu toe, het gebruik ervan is beperkt, omdat individuele enzymen vaak slechts één enkele reactie kunnen katalyseren.

Nutsvoorzieningen, de onderzoekers in het laboratorium van Hyster hebben een enzym uit zijn natuurlijke omgeving verwijderd, een paar nieuwe ingrediënten toegevoegd, en slaagde erin om het een ander type chemische reactie te laten katalyseren - waar het verrassend goed presteerde.

"Todd onthult verborgen vermogens in het enorme repertoire van scheikunde van de biologie, waarvan sommige misschien niet nuttig zijn voor de biologie, maar zeer nuttig voor ons zullen zijn, " zei Frances Arnold, de Linus Pauling hoogleraar chemische technologie, Bioengineering en biochemie aan het California Institute of Technology, die niet bij dit onderzoek betrokken was.

"Hij laat zien dat enzymen tot veel in staat zijn, " zei Arnoldus, die in 1979 afstudeerde aan Princeton. "Je hoeft alleen maar de juiste vragen te stellen."

De sleutel was het vereenvoudigen van hun begrip van hoe een enzym een ​​reactie katalyseert, zei Hyster.

"Ik denk dat ik altijd verbaasd ben dat onze vereenvoudigde benadering van enzymkatalyse echt werkt, "Zei Hyster. "Als studenten, ons wordt geleerd dat enzymen ongelooflijk gecompliceerde en specifieke katalysatoren zijn. ... Elke keer dat we ontdekken dat ze in staat zijn om iets compleet nieuws te doen dat de natuur nooit heeft bedoeld, het is verrassend en spannend."

In hun reactie de onderzoekers voegden een kleine hoeveelheid van een zorgvuldig geselecteerde foto-exciteerbare kleurstof toe aan het enzym en overspoelden het met groen licht. Daarbij, ze brachten twee gewoonlijk niet-verwante takken van de chemie samen, merkte Kyle Biegasiewicz op, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in het laboratorium van Hyster en een van de twee co-eerste auteurs op het papier.

"We hebben een ongelooflijk opwindend huwelijk ontdekt tussen enzymatische katalyse (biokatalyse) en fotoredox-katalyse, ' zei Biegasiewicz.

aan chemici, meer van de reactie krijgen die je wilt en minder van een reactie die je niet wilt, staat bekend als 'selectiviteit'. Enzymen zijn veel "selectiever" dan de meeste kleine molecuulkatalysatoren, en met deze nieuwe techniek kunnen wetenschappers daarvan profiteren voor hun eigen gewenste reacties. "Aanzienlijk, deze nieuwe transformatie vertoont een hoge mate van selectiviteit voor een klasse van reacties die voorheen zeer moeilijk te controleren waren, ' zei Hyster.

In essentie, hun doorbraak zorgt voor een nieuwe "plug-and-play"-aanpak, enzymen gebruiken om nieuwe katalytische reactiviteit aan te zetten, die vele opwindende implicaties heeft, aldus Biegasiewicz. "Hoewel ik geen details kan geven over lopende projecten in de groep, Ik zou de synthetische gemeenschap informeren om op de hoogte te blijven - de nieuwste dingen zijn echt cool!"

Deze nieuwe ontdekking is een ander aspect van de fotokatalyse van zichtbaar licht die de moderne chemie transformeert, zei Hyster.

"Het gebied van katalyse heeft het afgelopen decennium een ​​revolutie teweeggebracht door de ontwikkeling van methoden die gebruik maken van licht, " zei hij. "Princeton is echt een chauffeur op dit gebied geweest. Professoren scheikunde van Princeton [David] MacMillan, [Abigail] Doyle en [Robert] Knowles gebruiken allemaal licht om echt ongelooflijke dingen te doen met behulp van kleine molecuulkatalysatoren. We hebben aangetoond dat het nut van licht niet beperkt is tot katalysatoren met kleine moleculen; het kan ook het soort dingen dat we met enzymen kunnen doen uitbreiden. Dat vind ik best netjes."

Het idee voor deze onderzoeksrichting kwam voort uit het volgen van "de broodkruimels" in eerder onderzoek, zei Simon Kuiper, een afgestudeerde student in het laboratorium van Hyster en een co-eerste auteur op het papier. Andere wetenschappers hadden aangetoond dat blootstelling aan ultraviolet licht een significante verandering in het gedrag van een overvloedig molecuul veroorzaakte, nicotinamide adenine dinucleotide fosfaat (NADPH), die het team van Hyster samen met de lichtgevoelige kleurstof aan het enzym heeft toegevoegd.

"Bij blootstelling aan UV-licht, NADPH kan overschakelen van het in één stap overbrengen van twee elektronen en een proton naar het overbrengen van eerst een elektron en vervolgens een waterstofatoom (een elektron en een proton), Cooper zei. "We dachten dat als we konden profiteren van deze nieuwe route in een enzym, waardevolle nieuwe reacties wachtten op ontdekking. ... Het belangrijkste aspect van de bevindingen in dit artikel is het regelen van de overdracht van een waterstofatoom om slechts één van de twee mogelijke spiegelbeeldvormen van een molecuul te creëren. Dit type selectie tussen twee spiegelbeeldvormen is van oudsher zeer moeilijk te bereiken voor de overdracht van een waterstofatoom, en de hier beschreven methoden zijn een oplossing voor deze uitdaging."

Cooper voegde toe:"Naarmate we verder komen in de 21e eeuw, als een groeiende wereldbevolking het comfort moet ervaren van wat we als vanzelfsprekend beschouwen in de ontwikkelde wereld, we zullen meer kosteneffectieve en duurzame vormen van chemische katalyse nodig hebben om veel van de producten te leveren die toe te schrijven zijn aan de moderne manier van leven. De methoden die in ons artikel worden beschreven, zullen de weg banen, misschien."

"Onze chemie lijkt misschien niche of esoterisch, maar deze voorbeelden dienen alleen als proof-of-concept voor wat krachtige methoden kunnen worden voor het maken van nieuwe moleculen die tastbare maatschappelijke impact kunnen hebben:geneesmiddelen, landbouwchemicaliën, geuren en de lijst gaat maar door, " zei Megan Emmanuel, een afgestudeerde student in het laboratorium van Hyster en een co-auteur van het papier. "De implicatie dat ons werk kan, op een dag, worden gebruikt om een ​​zinvolle bijdrage te leveren aan het leven van mensen is opwindend."

De krant, "Katalytische promiscuïteit mogelijk gemaakt door fotoredox-katalyse in nicotinamide-afhankelijke oxidoreductasen" door Kyle Biegasiewicz, Simon Kuiper, Megan Emmanuel, David Miller en Todd Hyster, werd gepubliceerd in Natuurchemie op 11 juni, 2018.