Veelzijdige katalysatoren met nieuwe kenmerken en functies kunnen een revolutie teweegbrengen in de synthetische strategieën van wetenschappers en de weg vrijmaken voor hoogwaardige chemicaliën en een groenere chemische industrie. Op zoek naar dergelijke katalysatoren hebben wetenschappers een enzym ontwikkeld dat een organische reactie kan versnellen die bekend staat om zijn extreem lage reactiesnelheid.

De reactie in kwestie wordt de Morita-Baylis-Hillman (MBH) -reactie genoemd, een krachtig proces dat wordt gebruikt om een ​​koolstof-koolstofbinding te vormen tussen een alkeen en een elektrofiele verbinding zoals aldehyde. De MBH-reactie creëert producten die nuttige bouwstenen zijn voor verdere syntheses. Het vereist echter een hoge katalysatorbelading en heeft lange reactietijden met bestaande katalysatoren (normaal katalysatoren met kleine moleculen zoals DABCO en DMAP), waarbij meerdere dagen nodig zijn om een ​​bruikbare hoeveelheid product te produceren. Daarom, ondanks het nut ervan in organische synthese, verhinderen deze nadelen het wijdverbreide gebruik ervan.

"De typische katalysatoren die je voor deze reactie gebruikt, zijn kleine nucleofielen", zegt prof. Anthony Green van het enzC-Hem-projectgastheer Universiteit van Manchester, het Verenigd Koninkrijk, in een artikel op "Chemistry World". "Het mooie van biologie is dat als je een enzym kunt ontwerpen of een eiwit kunt ontwerpen om deze reactie uit te voeren, de snelheidsversnelling aanzienlijk is in vergelijking met alles wat is bereikt met chemie met kleine moleculen", vervolgt prof. Green, de senior auteur van de studie gepubliceerd in het tijdschrift Nature Chemistry .

De weg naar een betere katalysator

Met het doel de eerste efficiënte en selectieve biokatalysator voor de MBH-reactie te creëren, gebruikte het onderzoeksteam een ​​enzym - BH32 - dat een paar jaar eerder was ontwikkeld door Dr. David Baker en zijn team aan de Universiteit van Washington in de Verenigde Staten. Zoals gemeld in het nieuwsartikel, terwijl Dr. Baker - die een co-auteur is van de huidige studie - en zijn team erin slaagden enzymen te ontwerpen voor de MBH-reactie, werkten deze enzymen zwak. "Ze waren katalytisch competent, maar waren geen levensvatbare biokatalysatoren", aldus prof. Green.

Om het nieuwe enzym te maken, onderwierp het onderzoeksteam onder leiding van prof. Green het primitieve enzym BH32 aan een proces dat gerichte evolutie wordt genoemd. Een krachtig technisch hulpmiddel voor het afstemmen van enzymen op gewenste transformaties, gerichte evolutie verbetert de functies van eiwitten door herhaalde mutatie- en selectierondes. Na 14 evolutierondes is het onderzoeksteam erin geslaagd een enzym genaamd BH32.14 te ontwikkelen dat aanzienlijk sneller is en ook enantioselectief is.

De resultaten toonden aan dat lage concentraties van BH32.14 toegevoegd aan de MBH-reactie veel grotere opbrengsten kunnen bereiken dan hoge beladingen van huidige katalysatoren met kleine moleculen. Bovendien duurt de reactie slechts enkele uren, niet enkele dagen.

Het nieuw ontwikkelde enzym "is een van de meest complex ontworpen enzymen die tot nu toe in de organische chemie zijn toegepast", meldt het artikel. Het werk ondersteund door enzC-Hem (Creating Versatile Metallo-Enzyme Environments for Selective C-H Activation Chemistry:Lignocellulose Deconstruction and Beyond) laat zien dat het combineren van computationeel ontwerp en gerichte evolutie zou kunnen leiden tot nieuwe biokatalysatoren voor belangrijke chemische transformaties die niet in de natuur voorkomen. + Verder verkennen

Inzicht in de evolutie van enzymen maakt de weg vrij voor groene chemie