Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI hebben voor het eerst het enzym styreenoxide-isomerase nauwkeurig gekarakteriseerd, dat kan worden gebruikt om op een milieuvriendelijke manier waardevolle chemicaliën en medicijnprecursoren te produceren. De studie verschijnt in het tijdschrift Nature Chemistry .

Enzymen zijn krachtige biomoleculen waarmee onder omgevingsomstandigheden veel stoffen kunnen worden geproduceerd. Ze maken ‘groene’ chemie mogelijk, die de milieuvervuiling als gevolg van processen die in de synthetische chemie worden gebruikt, vermindert. Eén zo’n hulpmiddel uit de natuur is nu in detail gekarakteriseerd door PSI-onderzoekers:het enzym styreenoxide-isomerase. Het is de biologische versie van de Meinwald-reactie, een belangrijke chemische reactie in de organische chemie.

‘Het enzym, dat tientallen jaren geleden werd ontdekt, wordt gemaakt door bacteriën’, zegt Richard Kammerer van het Biomolecular Research Laboratory van PSI. Zijn collega Xiaodan Li voegt hieraan toe:"Maar omdat de manier waarop het functioneert niet bekend was, is de praktische toepassing ervan tot nu toe beperkt." De twee onderzoekers en hun team hebben de structuur van het enzym opgehelderd, evenals de manier waarop het werkt.

Eenvoudig mechanisme voor een ingewikkelde reactie

Micro-organismen beschikken over specifieke enzymen waarmee ze bijvoorbeeld schadelijke stoffen kunnen afbreken en als voedingsstoffen kunnen gebruiken. Styreenoxide-isomerase is daar één van. Samen met twee andere enzymen zorgt het ervoor dat bepaalde omgevingsbacteriën op het koolwaterstofstyreen kunnen groeien.

De styreenoxide-isomerase katalyseert een heel specifieke stap in de reactie:het splitst een drieledige ring in het styreenoxide bestaande uit één zuurstof- en twee koolstofatomen, een zogenaamd epoxide. Daarbij is het enzym zeer specifiek en creëert het slechts één product. Het is ook in staat een aantal extra stoffen om te zetten, waardoor belangrijke precursoren voor medische toepassingen worden geproduceerd.

Een bijzonder voordeel heeft te maken met het feit dat bij veel chemische reacties zowel een beeld als een spiegelbeeld van een chemische verbinding ontstaat, die totaal verschillende biologische effecten kunnen hebben. Maar dit enzym creëert specifiek slechts één van de twee producten. In de scheikunde wordt deze eigenschap stereospecificiteit genoemd; deze is vooral belangrijk voor het genereren van precursormoleculen voor medicijnen.

"Het enzym is een indrukwekkend voorbeeld van hoe de natuur op een eenvoudige en ingenieuze manier chemische reacties mogelijk maakt", zegt Li.

Tijdens hun onderzoek, dat ze deels uitvoerden bij het Zwitserse Lichtbron SLS, ontdekten de PSI-onderzoekers het geheim van het enzym:een ijzerhoudende groep in het binnenste, vergelijkbaar met het ijzerhoudende pigment in onze rode bloedcellen. Deze heemgroep bindt de epoxidering en maakt de reactie zo eenvoudig en efficiënt.

Andere delen van het onderzoek werden uitgevoerd door de groep van Volodymyr Korkhov, eveneens van het PSI Laboratorium voor Biomoleculair Onderzoek en universitair hoofddocent bij de afdeling Biologie aan de ETH Zürich, met behulp van cryo-elektronenmicroscopie.

Li en Kammerer zijn ervan overtuigd dat het enzym buitengewoon nuttig zal zijn in de chemische en farmaceutische industrie. "Het is tot nu toe het enige bacteriële enzym waarvan bekend is dat het de Meinwald-reactie katalyseert", benadrukt Kammerer. Met de hulp van het enzym zou de industrie precursoren voor medicijnen en belangrijke chemicaliën kunnen produceren onder energiebesparende en milieuvriendelijke omstandigheden.

Li voegt hieraan toe:"Het enzym zou potentieel kunnen worden gewijzigd, zodat het een groot aantal nieuwe stoffen kan produceren."

Bovendien is het enzym zeer stabiel en dus geschikt voor grootschalige industriële toepassingen.

“Het zal zeker een nieuw, belangrijk instrument worden voor de circulaire economie en groene chemie”, zijn de PSI-onderzoekers ervan overtuigd.

Meer informatie: Structurele basis van de Meinwald-omlegging gekatalyseerd door styreenoxide-isomerase, Natuurchemie (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01523-y

Journaalinformatie: Natuurchemie

Aangeboden door het Paul Scherrer Instituut