Engineering-enzymen om reacties uit te voeren die niet in de natuur voorkomen, kunnen langdurige uitdagingen in de wereld van synthetische chemie aangaan, zoals het opwaarderen van plantaardige oliën tot bruikbare biochemicaliën.

Een team van onderzoekers heeft een eenvoudige maar krachtige strategie ontwikkeld voor het creëren van nieuwe enzymen met nieuwe reactiviteit die waardevolle chemische verbindingen kunnen produceren, voortbouwend op hun eerdere werk met behulp van licht om natuurlijk voorkomende enzymen opnieuw te gebruiken.

De studie, gepubliceerd in Nature Catalysis, werd geleid door Xiaoqiang Huang, een voormalig postdoctoraal onderzoeker aan de University of Illinois Urbana-Champaign's Department of Chemical and Biomolecular Engineering (ChBE) en het Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI), een door het Amerikaanse ministerie van energie gefinancierd onderzoekscentrum voor bio-energie . Huang, momenteel een assistent-professor aan de Nanjing University in China, voerde dit werk uit in het laboratorium van ChBE-professor Huimin Zhao, CABBI's Conversion Theme Leader en een filiaal van het Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB).

In de studie werd zichtbaar licht gebruikt om een ​​geconstrueerd ketoreductase-enzym aan te wakkeren, waardoor een nieuwe biokatalytische reactie mogelijk werd die bekend staat als een asymmetrische radicaalconjugaatadditie, die uiterst moeilijk te bereiken is door chemische katalyse.

Katalysatoren zijn stoffen die worden gebruikt om chemische reacties te versnellen. In levende organismen katalyseren eiwitmoleculen, enzymen genaamd, reacties in een proces dat biokatalyse wordt genoemd. Wetenschappers zijn begonnen met het gebruik van biokatalyse om waardevolle verbindingen te synthetiseren, omdat de hoge selectiviteit hen in staat stelt enzymen in te zetten om op specifieke substraten in te werken en doelproducten te creëren. Een ander voordeel is dat enzymatische reacties zeer duurzaam zijn. Ze zijn relatief goedkoop, verbruiken weinig energie en richten minimale schade aan het milieu aan, in tegenstelling tot chemische katalysatoren, die doorgaans organische oplosmiddelen, warmte en hoge druk nodig hebben om te functioneren.

Toch zijn enzymen ingewikkeld om mee te werken. Ze zijn normaal gesproken beperkt tot het katalyseren van reacties die in de natuur worden aangetroffen, wat betekent dat wetenschappers vaak moeite hebben om de perfecte biokatalysator op te sporen om aan hun behoeften te voldoen. Zhao's laboratorium heeft zich gericht op het sturen van biokatalyse met zichtbaar licht, een proces dat bekend staat als "fotobiokatalyse", om nieuwe enzymreactiviteit te produceren. In een eerdere studie ontwikkelden Zhao en Huang een door zichtbaar licht geïnduceerde reactie met behulp van een enzym genaamd ene-reductase (ER) als biokatalysator om hoge opbrengsten van waardevolle chirale carbonylverbindingen te produceren, die potentiële toepassingen hebben voor de productie van hoogwaardige chemicaliën.

De nieuwe studie bouwt voort op dat werk, met behulp van fotobiokatalyse op een andere enzymfamilie - nicotamide-afhankelijke ketoreductasen geproduceerd door bacteriën - en een ander chemisch mechanisme om een ​​ander type chirale carbonylverbindingen te produceren die bekend staan ​​als α-chirale esters. Door de verlichting en evolutie van ketoreductase bereikte het team een ​​enantioselectieve biokatalytische radicaal geconjugeerde toevoeging van het Giese-type om vetzuren om te zetten in α-chirale esters, zei Zhao.

Enantioselectiviteit is de mate waarin een enantiomeer - een van een paar moleculen die spiegelbeelden van elkaar zijn - bij voorkeur wordt geproduceerd in een chemische reactie. Chiraliteit is een fundamenteel kenmerk van organische verbindingen, die de eigenschappen van moleculen sterk beïnvloedt, en de implicaties ervan zijn enorm op veel gebieden, waaronder biologie, geneeskunde en materiaalwetenschap. De diverse stereochemie van organische moleculen (de ruimtelijke rangschikking van atomen en het effect ervan op chemische reacties) verbetert bijvoorbeeld niet alleen de rijkdom van de biologische wereld aanzienlijk, maar speelt ook een belangrijke rol in veel biologische activiteiten zoals moleculaire communicatie, zei hij. .

De bevindingen bieden praktische toepassingen voor het werk van CABBI om biobrandstoffen en biochemicaliën te ontwikkelen uit gewassen zoals miscanthus, sorghum en energieriet in plaats van aardolie. De nieuwe biokatalytische transformatie zou de vetzuren die CABBI uit die planten genereert als uitgangsmateriaal kunnen gebruiken om bioproducten met toegevoegde waarde, zoals ingrediënten voor zeep of huidverzorgingsproducten, op een milieuvriendelijke manier te synthetiseren.

"Hoewel we ons niet op een specifiek product hebben gericht voor verdere toepassing, biedt dit werk een praktische nieuwe methode die mogelijk kan worden toegepast voor het upgraden van vetzuren," zei Zhao. "Enzymen zijn de werkpaarden voor de biologische synthese van brandstoffen en chemicaliën uit hernieuwbare biomassa.

"Een van de belangrijkste wetenschappelijke veranderingen in het conversieonderzoek van CABBI, of bio-energieonderzoek in het algemeen, is het ontbreken van bekende enzymen met de gewenste activiteit en substraatspecificiteit voor de synthese van doelbrandstoffen en chemicaliën. Daarom is er een dringende behoefte aan de ontwikkeling van nieuwe strategieën om enzymen met gewenste activiteit of reactiviteit te ontdekken of te ontwikkelen." + Verder verkennen

Onderzoekers werpen licht op nieuwe enzymatische reactie