Enzymen zijn de krachtpatsers van de natuur. Gevonden in de cellen van alle dieren, planten, en elk ander levend organisme, ze versnellen de chemische reacties die duizenden biologische functies activeren - van het vormen van neuronen tot het verteren van voedsel.

Ze voeren hun werk zo selectief en zo snel uit - miljoenen keren sneller dan een oogwenk - dat het gebied van biomimetische chemie de afgelopen decennia is ontstaan ​​met als doel kunstmatige enzymen te ontwerpen die de krachten van natuurlijke enzymen in industriële instellingen. Kunstmatige enzymen kunnen, bijvoorbeeld, maïs omzetten in ethanol of sneller nieuwe medicijnen helpen maken, goedkoop, en effectief.

Een stap dichter bij het bereiken van dat doel komen, Rajeev Prabhakar, een computerchemicus aan de Universiteit van Miami, en zijn medewerkers aan de Universiteit van Michigan hebben een roman geschreven, synthetisch, driestrengs molecuul dat werkt als een natuurlijk metallo-enzym, of een enzym dat metaalionen bevat.

"Het was niet duidelijk of ze gemaakt konden worden, maar we hebben ze gemaakt. En, daarna gebruikten we ze om reacties succesvol te katalyseren, " zei Prabhakar, een professor in de chemie die enzymreacties bestudeert in de hoop hun kunstmatige analogen te ontwerpen. "Dit is een incrementele maar belangrijke stap in de ontwikkeling van kunstmatige enzymen, die lange tijd werd beschouwd als de heilige graal van de chemie. Helaas, zo goed als natuurlijke enzymen werken in ons lichaam en andere levensvormen, ze tolereren andere instellingen niet zo goed. Ze zijn ook erg duur en niet gemakkelijk te bereiden en te zuiveren."

Voor hun baanbrekende studie gepubliceerd in Natuurchemie deze week, Prabhakar en afgestudeerde student Vindi M. Jayasinghe-Arachchige bundelden hun krachten met Vincent L. Pecoraro, een scheikundeprofessor aan de Universiteit van Michigan, om de prestaties van de kunstmatige enzymen te verbeteren, heeft Pecoraro's laboratorium in de loop der jaren pionierswerk verricht. De onderzoekers uit Michigan hadden eerder eenvoudigere synthetische metallo-enzymen gemaakt die met succes een aantal chemische reacties katalyseerden. Maar die kunstmatige macromoleculen zijn ontworpen met drie identieke, of symmetrische "homotrimere" strengen, die, Prabhakar zei, beperkten hun katalytische vermogens.

In het nieuwe molecuul die Jayasinghe-Arachchige ontwierp op de supercomputer van de Universiteit van Miami onder begeleiding van Prabhakar, de derde streng verschilt qua structuur van de andere twee strengen. Haar kwantummechanische berekeningen toonden aan dat de meer complexe, niet-symmetrisch, driestrengige structuur, bekend als een "heterotrimere" spoel, breidde de katalytische prestaties van homotrimere kunstmatige metallo-enzymen uit - een bevinding die Pecoraro en zijn team bevestigden met experimenten in zijn laboratorium in Michigan.

"Onze technieken zijn anders, maar gratis, " zei Prabhakar. "Wat we doen, kan de Pecoraro-groep niet doen, en wat ze doen, wij kunnen het niet. We modelleren moleculen op de computer zodat we hun structurele eigenschappen en het mechanisme van hun vorming kunnen voorspellen. Ze gebruiken onze modellen om het echte werk te bouwen, en in dit geval is dat het eerste voorbeeld van een natuurlijk heterotrimeer molecuul."

De meeste leken zouden de studie waarschijnlijk net zo onbegrijpelijk vinden als de titel:"Heteromere driestrengige opgerolde spoelen ontworpen met behulp van een Pb(II)(Cys)3-sjabloon gemedieerde strategie." Maar de onderste regel, Prabhakar zei, is dat het gezamenlijke onderzoek in Miami en Michigan de deur opent naar een nieuwe strategie voor het creëren van kunstmatige enzymen die net zo goed werken als natuurlijke enzymen.

Naast Pecocaro, Prabhakar, en Jayasinghe-Arachchige, andere co-auteurs van de studie zijn onder meer Prabhakar's voormalige afgestudeerde student, Thomas J. Paul, nu aan de Universiteit van Michigan; Audrey E. Tolbert, Catharina S. Ervin, en Kosh P. Neupane, ook van de Universiteit van Michigan; en Leela Ruckthong, van de Technische Universiteit van King Mongkut, in Thailand.

Nu in haar laatste studiejaar voor haar doctoraat in de scheikunde, Jayasinghe-Arachchige zei dat ze gefascineerd blijft door de vooruitgang in computationele chemietechnieken die haar in staat stelden de chemische structuren en reacties van het nieuwe molecuul te modelleren.

"Ik ben verheugd dat onze bevindingen nieuwe wegen zullen creëren voor de ontwikkeling van efficiënte kunstmatige enzymen die kunnen worden gebruikt om de kwaliteit van leven te verbeteren, ' zei Jayasinghe-Arachchige, "en als vrouw in een veld waar vrouwen ondervertegenwoordigd zijn, Ik hoop dat deze studie vrouwen zal motiveren om deel te nemen aan de fascinerende wereld van STEM-gebieden."