Typische routes voor het maken van per-gedeutereerde moleculen voor neutronenverstrooiing gebruiken chemische methoden die ongeschikt zijn voor moleculen met gevoelige functionele groepen, bijvoorbeeld het gebruik van metaalkatalysatoren, hoge temperatuur en hoge druk. Daarom, Taak 5.3 in het werkpakket Chemical Deuteration van SINE2020 onderzocht het gebruik van enzymkatalysatoren die efficiënt, zeer molecuulspecifiek en genereren weinig of geen bijproducten tijdens het deuteratieproces.

SINE2020-collega's van de ESS in Zweden en FZJ in Duitsland hebben gekeken naar het polymeer polymelkzuur. Neutronenverstrooiing is een ideale methode om de structuur en eigenschappen van polymelkzuur te bestuderen, maar om de analyse gemakkelijker en nuttiger te maken, gedeutereerde vormen van het polymeer zijn vereist.

Polymelkzuur is gemaakt van bouwstenen (of monomeren) van melkzuur die aan elkaar zijn gekoppeld en ze komen in twee vormen die spiegelbeelden (of enantiomeren) van elkaar zijn. De biologische afbreekbaarheid van het polymeer kan worden aangepast door een mengsel van deze enantiomeren samen te voegen, waardoor het belangrijk is dat gedeutereerde versies van beide melkzuurenantiomeren beschikbaar zijn.

Anna Leung en Hanna Wacklin-Knecht van ESS hebben gedeutereerde melkzuurmonomeren gemaakt met behulp van enzymen. Deze zijn vervolgens gebruikt door Andreas Raba en Jürgen Allgaier van FZJ en Klaus Beckerle van de RWTH Aachen University om gedeutereerd polymelkzuur te maken.

Melkzuur maken

Eerst, een gedeutereerde versie van de voorloper natriumpyruvaat werd gemaakt, wat ongeveer 3 dagen duurt. Dit wordt omgezet in lactaat in een enzymreactie gedurende ongeveer 10 dagen, met behulp van het enzym Lactaatdehydrogenase. Het lactaat is dan eenvoudig om te zetten in melkzuur. De verschillende L- en D-enantiomeren werden gemaakt met telkens een specifieke versie van het lactaatdehydrogenase-enzym.

Deuteratie van lipiden

De synthese van melkzuur was niet het enige dat het team met enzymen wilde onderzoeken. Een andere interessante molecuulgroep om te deutereren voor neutronentechnieken zijn lipiden, die ILL biologisch produceren.

Om een ​​gedeutereerd lipide te bouwen, maak je de kopgroep en "benen" van het molecuul afzonderlijk en voeg je ze vervolgens samen. Dit gebeurt vaak chemisch, maar misschien kunnen enzymen nuttig zijn voor dit proces. Enzymen kunnen de "benen" één voor één verwijderen en gedeutereerde versies opnieuw bevestigen die klaar zijn voor neutronenexperimenten.

Anna begon voor deze taak fosfolipase-enzymen te onderzoeken. Echter, het was niet makkelijk. Oliver Bogojevic trad in 2018 toe tot het project, kennis brengen van de structuur en functie van enzymen en ervaring met het werken met enzymmanipulatie. Nog altijd, enzymen zijn uitdagende dingen om mee te werken en Anna en Oliver leerden constant dingen met vallen en opstaan. Enzymen werden gemakkelijk gedenatureerd door hoge temperaturen of veranderingen in pH en ze ontdekten dat sommige enzymen een zeer smalle substraatspecificiteit hebben, terwijl andere een breed scala aan substraten accepteren. De reacties moesten constant worden gecontroleerd en het was moeilijk om te weten hoe de producten op zuiverheid moesten worden geanalyseerd.

Het was ook ingewikkeld om de productie op te schalen om grotere hoeveelheden te maken, bijv. tot 100 mg geperdeutereerde verbinding. Dit komt omdat als je meer uitgangsmateriaal hebt, de grensvlakken waar de belangrijke interacties plaatsvinden, schalen niet op dezelfde manier, d.w.z. verdubbeling van het uitgangsmateriaal verdubbelt niet automatisch het beschikbare oppervlak. Het team moest methoden onderzoeken om de reactanten te mengen om de interface-gebieden op de juiste manier te vergroten. Het werk aan dit project gaat door; het ESS DEMAX-team bood gedeutereerde fosfolipiden aan in hun eerste voorsteloproep, eerder dit jaar uitgegeven.

Ondanks de uitdagingen, echter, er zijn enkele grote voordelen van het gebruik van enzymen. Ze zijn erg selectief, niet chemisch giftig, herbruikbaar en het aantal benodigde stappen in een syntheseproces wordt verminderd.

Het werk dat voor SINE2020 is uitgevoerd, heeft een methodologie voor enzymkatalyse tot stand gebracht, niet alleen voor deze moleculen, maar een die compatibel zou moeten zijn met een groot aantal andere substraten en enzymreacties. Dit zal helpen om de gebruikerstoegang uit te breiden tot een groot aantal hoogwaardige gedeutereerde kleine moleculen met neutronenverstrooiingstoepassingen.