Biokatalysatorer er en bro til grønnere, stærkere kemi

Ny forskning fra University of Michigan Life Sciences Institute bygger en bro fra naturens kemi til grønnere, mere effektiv syntetisk kemi.

Forskere i laboratoriet hos Alison Narayan analyserede biokatalysatorer udviklet af naturen for deres effektivitet i en række syntetiske kemiske reaktioner. Resultaterne, planlagt til udgivelse 13. november in Naturkemi , åbne døren til lovende praksis for kemikere, peger på ikke kun mere effektive, men mere kraftfulde værktøjer til kemikere.

Forskerne startede med mikroorganismer, der har, gennem årtusinder, udviklet komplekse kemiske reaktioner for at skabe molekyler med vigtig biologisk aktivitet til forskellige formål, såsom forsvarsmekanismer. Forskerne analyserede derefter de kemiske veje, der giver anledning til disse potentielt nyttige molekyler, for at bestemme, hvordan de kan genbruges til at skabe forbindelser syntetisk i laboratoriet.

"Naturen har udviklet katalytiske værktøjer, der ville gøre det muligt for kemikere at bygge molekyler, som vi ikke nemt kan bygge bare ved hjælp af traditionel kemi, " sagde Narayan, seniorstudieforfatter og adjunkt ved LSI, hvor hendes laboratorium er placeret. "Vores arbejde bygger bro mellem de to verdener af biosyntese og syntetisk kemi."

At bygge komplekst, bioaktive molekyler – ligesom de molekyler, der tillader lægemidler at finde de rigtige biologiske mål i vores kroppe – syntetiske kemikere bruger ofte en proces kaldet oxidativ dearomatisering. Denne proces omdanner flade molekyler til tredimensionelle strukturer, der er mere reaktive. Men traditionelle oxidative dearomatiseringsmetoder har flere fejl.

Fordi de kræver brug af et kemisk reagens til at omdanne udgangsmaterialet til det ønskede slutprodukt, selve reaktionerne er temmelig sløsede. Ud over, reagenserne viser dårlig selektivitet i transformationen, resulterer i en blanding af forbindelser, der indeholder flere unødvendige, og nogle gange skadelige, varianter af det ønskede produktmolekyle.

"Det er ikke en særlig effektiv proces, " sagde Narayan, som også er adjunkt i kemi på UM College of Literature, Videnskab, og kunsten. "Du kan ende med forskellige strukturer, når du virkelig kun vil have denne ene specifikke struktur - og du genererer meget affald i processen."

I denne nylige undersøgelse, Narayan-laboratoriet viste, at enzymkatalysatorer har potentialet til at løse disse problemer.

Enzymer er effektive katalysatorer, generere mange produktmolekyler fra et enkelt molekyle af katalysatoren, fører til mindre spild. Og Narayans laboratorium fandt ud af, at katalysatorerne udfører reaktionerne med forbedret selektivitet - hvilket betyder, at reaktionerne kun producerer den ønskede molekylære struktur.

Disse enzymer er endnu ikke blevet bredt adopteret af kemikere, fordi deres overordnede anvendelighed og robusthed til kemi ikke er blevet påvist, sagde Narayan.

"Det arbejde, der udføres inden for biosyntese, fokuserer primært på at forstå, hvordan molekyler laves i naturen og identificere den enkelte reaktion et enzym gør i sin naturlige sammenhæng, " sagde hun. "Vi er nødt til at finde ud af, hvordan et enzym er nyttigt inden for syntetisk kemi - hvad kan det gøre, hvilke typer molekyler det fungerer med - så kemikere kan bare gå til litteraturen og se, hvordan de kan bruge dette værktøj."

Narayans forskningsprogram begynder at lukke kløften mellem disse to felter ved at teste enzymer ikke kun for deres naturlige roller, men for de roller, de kunne spille i en række forskellige reaktioner. Laboratoriet har også udviklet metoder til at gøre disse enzymer nemme at håndtere i løs vægt og dele med andre kemikere.

"Vi viser, at disse enzymer kan gøre mere end den ene specifikke opgave, de udviklede sig til i naturen, " sagde kandidatstuderende Summer Baker Dockrey, den ledende forfatter af undersøgelsen. "De kan være overraskende generaliserbare og kan vise sig at være meget selektive værktøjer."

Laboratoriet arbejder nu på at konstruere disse enzymer til at udføre flere reaktioner.

"Vi begynder virkelig at bygge biblioteket af nye, effektiv, kraftfulde værktøjer til kemikere, " sagde Narayan.