Chemici van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) hebben een manier ontdekt om het natuurlijke substraatbereik van enzymen te vergroten, waardoor het scala aan reacties die ze kunnen katalyseren wordt uitgebreid. Het team onder leiding van professor Tobias Erb en dr. Christopher Gregg ontwikkelde een kunstmatig metallo-enzym dat een ongekende katalytische promiscuïteit vertoont. De wetenschappers hebben een rationeel ontworpen zinkbindingsplaats samengevoegd met een bestaand enzymscaffold. Er werd aangetoond dat dit fusie-eiwit de cycloadditie van aziridines met koolstofdioxide katalyseert, waardoor oxazolidinonen ontstaan ​​– een reactie die tot nu toe in de natuur niet is waargenomen. De studie, die onlangs werd gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Nature Chemistry, opent nieuwe mogelijkheden voor het ontwerp van biokatalytische processen.

Enzymen zijn eiwitmoleculen die chemische reacties in levende organismen katalyseren. Ze zijn zeer selectief en efficiënt, waardoor complexe reacties onder milde reactieomstandigheden kunnen plaatsvinden. De substraatomvang van enzymen is echter vaak beperkt, wat betekent dat ze slechts een beperkt aantal reacties kunnen katalyseren.

"Het vergroten van het katalytische repertoire van enzymen is een al lang bestaand doel in de chemie en biotechnologie", zegt Tobias Erb, hoogleraar chemische biologie en genetica bij JGU. "Dit zou ons in staat stellen enzymen te gebruiken voor een breder scala aan synthetische reacties en mogelijk nieuwe biokatalytische processen te ontwikkelen voor de productie van farmaceutische producten en andere fijne chemicaliën."

Eén manier om het substraatbereik van enzymen uit te breiden is door ze te manipuleren door mutaties of chemische modificaties te introduceren. Deze aanpak is echter vaak vervelend en tijdrovend, en het kan moeilijk zijn om te voorspellen welke wijzigingen tot de gewenste katalytische activiteit zullen leiden.

"We wilden een meer algemene strategie ontwikkelen die ons in staat zou stellen het katalytische bereik van enzymen op een rationele en efficiënte manier te vergroten", legt Christopher Gregg uit, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Erb. "We werden geïnspireerd door het feit dat veel enzymen metaalionen bevatten die essentieel zijn voor hun katalytische activiteit."

De onderzoekers veronderstelden dat ze door het introduceren van een metaalbindingsplaats in een bestaand enzymscaffold een kunstmatig metallo-enzym zouden kunnen creëren met een nieuwe katalytische activiteit. Om deze hypothese te testen, fuseerden ze een rationeel ontworpen zinkbindingsplaats met een enzymscaffold afgeleid van het enzym chorismaatmutase.

"We waren blij toen we ontdekten dat het fusie-eiwit een ongekende katalytische promiscuïteit vertoonde", zegt Gregg. "Het was in staat om de cycloadditie van aziridines met kooldioxide te katalyseren om oxazolidinonen op te leveren - een reactie die tot nu toe niet in de natuur is waargenomen."

De onderzoekers denken dat hun strategie ook kan worden gebruikt om het katalytische bereik van andere enzymen te vergroten. "We werken momenteel aan het uitbreiden van de reikwijdte van ons kunstmatige metallo-enzym naar andere soorten reacties", zegt Erb. "We onderzoeken ook het gebruik van andere metaalionen en enzymen."

De studie, die op 20 februari 2023 in Nature Chemistry werd gepubliceerd, opent nieuwe mogelijkheden voor het ontwerp van biokatalytische processen. Door het katalytische bereik van enzymen uit te breiden, kan het mogelijk zijn om efficiëntere en milieuvriendelijkere methoden te ontwikkelen voor de productie van een verscheidenheid aan chemicaliën.