Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een nieuwe functie ontdekt in een plantenenzym dat gevolgen kan hebben voor het ontwerp van nieuwe chemische katalysatoren. Het enzym katalyseert, of initieert, een van de belangrijkste chemische reacties die nodig zijn om een ​​breed scala aan organische moleculen te synthetiseren, inclusief die in smeermiddelen, cosmetica, en die worden gebruikt als grondstof voor het maken van kunststoffen.

"Dit enzym zou een nieuwe vorm van 'groene' chemie kunnen inspireren, " zei Brookhaven Lab biochemicus John Shanklin, die het onderzoek leidde. "Misschien kunnen we dit biomolecuul aanpassen om nuttige chemicaliën in planten te maken, of gebruik het als basis voor het ontwerpen van nieuwe bio-geïnspireerde katalysatoren ter vervanging van duurdere, giftige katalysatoren die momenteel in gebruik zijn."

Shanklin en zijn team publiceerden een paper waarin het onderzoek in het tijdschrift werd beschreven Plantenfysiologie .

Het team deed de ontdekking in de loop van hun lopende onderzoek naar enzymen die plantaardige oliën verzadigen. Deze desaturase-enzymen strippen waterstofatomen van specifieke aangrenzende koolstofatomen in een koolwaterstofketen en voegen een dubbele binding toe tussen die koolstofatomen. Shanklin's groep had eerder een drievoudige mutante versie gemaakt van een desaturase-enzym met interessante eigenschappen, en ze bestudeerden de drie mutaties afzonderlijk om te zien wat ze allemaal deden.

Twee van de enkelvoudige mutante enzymen bleken de dubbele binding tussen aangrenzende koolstofatomen te verwijderen en voegden een "OH" (hydroxylgroep) toe aan elke koolstof om een ​​vetzuur te produceren met twee aangrenzende hydroxylgroepen.

Vetzuren die zulke aangrenzende OH-groepen bevatten, bekend als diolen, zijn belangrijke chemische componenten voor het maken van smeermiddelen, zoals degenen die warme motoren soepel laten draaien. Ze kunnen ook worden omgezet in bouwstenen voor het maken van plastic of andere basisproducten.

"Diolen zijn echt belangrijke industriële chemicaliën, maar het is nogal problematisch om ze kunstmatig in het laboratorium te maken. ' zei Shanklin.

De beste industriële katalysatoren voor deze reactie zijn duur, zeer vluchtig, en giftig, hij merkte.

Een ander probleem is dat er verschillende vormen van diolen zijn, en het is moeilijk voor chemici om een ​​enkele zuivere vorm te maken.

"De enzymmutanten die we ontdekten, maken van nature een enkele vorm, dus klaar voor gebruik zonder verdere verwerking of afval, ' zei Shanklin.

Het traceren van de oorsprong van de zuurstofatomen in de twee OH-groepen onthulde dat beide afkomstig waren van hetzelfde zuurstofmolecuul (O?). Het vermogen om beide zuurstofatomen van een enkele O over te brengen? molecuul tijdens een reactie, bekend als "dioxygenase" chemie, was enigszins een verrassing voor een "diiron" -enzym (een met twee ijzeratomen in zijn actieve plaats).

"Dioxygenasechemie is niet eerder gerapporteerd voor di-ijzer-enzymen, "Zei Shanklin. "We moesten een aantal technisch uitdagende experimenten uitvoeren om onweerlegbaar bewijs te leveren dat dit inderdaad gebeurde, en zonder de creativiteit en vasthoudendheid van Ed Whittle, we zouden deze studie niet hebben afgerond."

Whittle, de hoofdauteur van het papier (nu gepensioneerd bij Brookhaven Lab), heeft jarenlang ijverig aan dit project gewerkt in het laboratorium van Shanklin om deze belangrijke nieuwe ontdekking vast te leggen.

Het volgende doel van het team is om een ​​kristalstructuur van dit enzym te verkrijgen met behulp van röntgenstralen bij de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in Brookhaven Lab.

"We zullen die structurele informatie delen met onze computationele chemie-collega's om erachter te komen hoe deze ongekende chemie kan plaatsvinden met deze klasse katalysatoren."

Dat werk zou het team kunnen helpen om de configuratie van in het laboratorium gemaakte katalysatoren te leren beheersen om de van planten afgeleide versie na te bootsen.

"Als we wat we hebben geleerd kunnen integreren in het ontwerp van industriële katalysatoren, die reacties zouden kunnen leiden tot zuiverdere producten met minder afval en het vermijden van het gebruik van giftige chemicaliën, ' zei Shanklin.