Een team van baanbrekende onderzoekers van het Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) heeft een aanzienlijke sprong voorwaarts gemaakt in de complexe wereld van de moleculaire chemie.

Hun focus? Azarenen, unieke moleculaire puzzelstukjes die cruciaal zijn voor veel alledaagse producten, van milieuvriendelijke landbouwchemicaliën tot essentiële medicijnen. Het CABBI-team demonstreerde een innovatieve manier om deze moleculen te modificeren, een baanbrekende ontdekking die veelbelovend is voor nieuwe industrieel relevante chemische reacties en duurzame energieoplossingen.

Centraal in hun onderzoek staat het gebruik van foto-enzymatische systemen. In eenvoudiger bewoordingen lijkt het op het aanjagen van de kleine werkers van de natuur, de enzymen, met een zaklamp, waardoor ze moleculaire structuren op ongekende manieren kunnen samenstellen of repareren. Door gebruik te maken van de kracht van licht hebben deze wetenschappers nieuwe chemische reacties blootgelegd waarvan men voorheen dacht dat ze buiten bereik waren.

De studie, gepubliceerd in Nature Chemistry , werd uitgevoerd door onderzoekers van de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign.

De hoofdauteurs zijn Huimin Zhao, hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering van CABBI, themaleider biosysteemontwerp van het Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB), en directeur van het NSF Molecule Maker Lab Institute in Illinois.; en Maolin Li, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij CABBI, ChBE en IGB.

Azaarenen, ogenschijnlijk minuscuul in het enorme universum van de scheikunde, spelen niettemin een monumentale rol. Ze zijn de bouwstenen van een overvloed aan verbindingen en beïnvloeden zelfs het DNA in onze cellen. Maar de uitdaging lag altijd in hun manipulatie.

Dankzij de ontwikkeling door het team van een ene-reductase-systeem – een gespecialiseerde moleculaire toolkit die gebruik maakt van het ene-reductase-enzym dat het laboratorium van Zhao in eerdere onderzoeken heeft ingezet – hebben onderzoekers een manier gevonden om deze moleculen op ingewikkelde wijze te modificeren zonder bijkomende schade.

Een van de opvallende prestaties van hun werk is het beheersen van de enantioselectieve overdracht van waterstofatomen. Moleculen zijn er vaak in links- en rechtshandige versies, of enantiomeren, net als handschoenen. Dankzij de methode van het team kunnen ze beide versies selectief targeten en aanpassen met ongeëvenaarde precisie. Bovendien konden ze via stereobediening op afstand die precieze aanpassingen op afstand maken.

Voor CABBI en de bio-energiesector is deze ontdekking een gamechanger. Biobrandstoffen en bioproducten – energie en producten afgeleid van plantaardig materiaal in plaats van niet-hernieuwbare hulpbronnen zoals aardolie – vertegenwoordigen een groenere en duurzamere toekomst. Het onderzoek van het team heeft het scala aan chemische reacties en bioproducten die efficiënt kunnen worden gemaakt, uitgebreid.

De studie introduceerde ook het concept van asymmetrische fotokatalyse, een revolutionaire techniek die consistentie in deze reacties garandeert. Dat kan nieuwe wegen openen voor de productie van biobrandstoffen en bioproducten uit een breder scala aan biomassagrondstoffen, wat rechtstreeks aansluit bij de doelstellingen van CABBI en de bredere DOE-missie om duurzame energie en productoplossingen te bevorderen.

"Met onze nieuwe benadering van azaarenen en het gebruik van enzymatische overdracht van waterstofatomen, verleggen we niet alleen grenzen in de chemie," zei Zhao. "We leggen de basis voor een duurzamere en innovatievere toekomst. Ons onderzoek heeft de beschikbare tools voor milieuvriendelijke productie verbreed en heeft het potentieel om doorbraken op het gebied van landbouwchemicaliën en daarbuiten te katalyseren."

Buiten het laboratorium is het potentieel voor toepassingen in de echte wereld enorm, van het leiden van de leiding op het gebied van duurzame energie tot het leiden van veiligere landbouwchemicaliën. Vooruitgang op het gebied van bio-energie en bioproducten kan leiden tot economische groei, met nieuwe industrieën, banen en producten voor consumenten en potentieel meer betaalbare energiebronnen. Door duurzame en efficiënte productiemethoden te bevorderen, kan het onderzoek de vervuiling en aantasting van het milieu verminderen, wat resulteert in schonere lucht en water voor gemeenschappen.

Terwijl de wereld worstelt met milieu-uitdagingen en de dringende behoefte aan duurzame oplossingen, verlichten ontdekkingen als deze de weg vooruit, zei Li.

"Als postdoctoraal onderzoeker bij dit project ben ik diep ondergedompeld in de complexiteit van azaarenen en hun potentieel. Het ontrafelen van de uitdagingen van stereocontrole op afstand en het getuige zijn van de transformatieve mogelijkheden van onze bevindingen was echt opwindend. Dit onderzoek is niet alleen over de nuances van chemische reacties; het gaat over de toekomst van duurzame energie en meer. Ik ben benieuwd waar deze reis ons naartoe brengt”, zei Li.

Meer informatie: Li, M. et al, Stereocontrole op afstand met azaarenen via enzymatische waterstofatoomoverdracht, Natuurchemie (2023). DOI:10.1038/s41557-023-01368-x. www.nature.com/articles/s41557-023-01368-x

Journaalinformatie: Natuurchemie

Aangeboden door de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign