Onderzoekers van UC Santa Barbara bouwen het repertoire van chemische reacties uit met behulp van licht. In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nature , rapporteren scheikundeprofessor Yang Yang en medewerkers aan de Universiteit van Pittsburgh een methode die fotobiokatalyse gebruikt om niet-canonieke (niet natuurlijk voorkomende) aminozuren te produceren die waardevolle bouwstenen zijn van peptidetherapieën, bioactieve natuurlijke producten en nieuwe functionele eiwitten.

"Er zijn zoveel inspanningen geleverd op het gebied van biokatalyse, en we zijn nu op een punt aangekomen waarop we op rationele wijze geheel nieuwe enzymatische reacties kunnen ontwerpen die ongekend zijn in zowel de chemie als de biologie", aldus Yang.

De meeste inspanningen op het gebied van biokatalyse, of de versnelling van chemische reacties via enzymen – de bevoorrechte katalysatoren van de natuur – hebben zich gericht op het optimaliseren van natuurlijke enzymfuncties die nuttig zijn voor de synthetische chemie, of op het herbestemmen van natuurlijke enzymen om onnatuurlijke reacties te vergemakkelijken die bekend zijn in de synthetische chemie. Ondanks tien jaar uitgebreid onderzoek zijn er slechts een handvol voorbeelden van enzymatische reacties die zowel nieuw voor de natuur als nieuw voor de synthetische chemie zijn.

"Waar we in wezen in geïnteresseerd zijn, is het ontdekken van geheel nieuwe enzymatische reacties en algemene manieren van enzymkatalyse," voegde Yang eraan toe.

Denk aan fotobiokatalyse, waarbij licht wordt gebruikt om enzymen aan te zetten om energie te genereren (vaak in de vorm van vrije radicalen) om het ene molecuul in het andere om te zetten. Fotobiokatalyse, een relatief jong vakgebied in de chemie, maakt gebruik van de selectiviteit en efficiëntie van enzymen en combineert dat met de veelzijdigheid en duurzaamheid van licht om nieuwe processen te creëren, en in dit geval niet-canonieke aminozuren.

Interagerende katalytische processen

Voor deze studie concentreerde het onderzoeksteam zich op pyridoxaalfosfaat (PLP)-afhankelijke enzymen, een grote familie van enzymen die verantwoordelijk zijn voor het metabolisme van aminozuren. Het team ontwikkelde een op elkaar inwerkende, drievoudige katalytische cyclus waarin een fotokatalysator (een op iridium gebaseerde verbinding) wordt blootgesteld aan licht, waardoor een proces wordt geïnitieerd dat een voorbijgaande vrije radicaal genereert, terwijl een tweede cyclus waarbij gebruik wordt gemaakt van licht de fotokatalysator regenereert.

Tegelijkertijd modificeert de biokatalysecyclus met behulp van een PLP-enzym het aminozuursubstraat via een reeks activeringsstappen die uniek zijn voor PLP-biochemie. De door de fotochemie gegenereerde vrije radicaal speelt hier een rol, dringt de actieve plaats van het enzym binnen en schakelt het enzymatische tussenproduct in om nieuwe chemie mogelijk te maken. Deze samenwerking tussen het enzym en de fotokatalysator maakt de productie van een niet-canoniek aminozuurproduct mogelijk.

Het veranderen van – in dit geval – gemeenschappelijke moleculaire structuren van aminozuren voegt nieuwe kenmerken en mogelijkheden aan deze zuren toe. Door een nieuwe koolstof-koolstofbinding te creëren met de kritische ‘alfakoolstof’ van het aminozuur, zegt Yang, wordt het mogelijk om deze ‘ruggengraat’ te gebruiken om een ​​reeks nieuwe aminozuren te ontwerpen die op hun beurt nieuwe, unieke en krachtige prestaties kunnen leveren. wenselijke functies als basis voor nieuwe therapieën en natuurlijke producten.

"Dit is de eerste demonstratie van pyridoxale biokatalyse via radicaal-gemedieerde alfa-functionalisatie van overvloedige aminozuursubstraten", aldus Yang.

Bovendien is het zeer efficiënte proces zowel stereoselectief, wat betekent dat het kan selecteren op een driedimensionale ‘vorm’ van het resulterende aminozuur, en elimineert het de extra stappen van het toevoegen en verwijderen van ‘beschermende groepen’ of verbindingen die bepaalde reactieve groepen maskeren. gebieden op moleculen om ongewenste chemische reacties in die gebieden te voorkomen.

"We hebben interessante interacties ontdekt tussen de fotokatalysator en het enzym", zegt Yang, wiens groep onderzoekt hoe de interacties tussen de twee katalysatoren verder kunnen worden verbeterd. "Ik denk dat dit zal leiden tot nieuwe fundamentele wetenschap, zowel vanuit het standpunt van de synthetische chemie als vanuit het oogpunt van de enzymologie."