Deuteration af molekyler ved hjælp af enzymer

Typiske ruter til fremstilling af per-deutererede molekyler til neutronspredning bruger kemiske metoder, der er uegnede til molekyler med følsomme funktionelle grupper, for eksempel brugen af ​​metalkatalysatorer, høj temperatur og højt tryk. Derfor, Opgave 5.3 i SINE2020's Chemical Deuteration-arbejdspakke udforskede brugen af ​​enzymkatalysatorer, der er effektive, meget molekylespecifik og genererer få eller ingen biprodukter under deuterationsprocessen.

SINE2020-kolleger ved ESS i Sverige og FZJ i Tyskland har kigget på polymeren polymælkesyre. Neutronspredning er en ideel metode til at studere strukturen og egenskaberne af polymælkesyre, men for at gøre analysen nemmere og mere brugbar, deutererede former af polymeren er påkrævet.

Polymælkesyre er lavet af byggesten (eller monomerer) af mælkesyre, der er sat sammen, og de kommer i to former, der er spejlbilleder (eller enantiomerer) af hinanden. Bionedbrydeligheden af ​​polymeren kan tilpasses ved at sammenføje en blanding af disse enantiomerer, hvilket gør det vigtigt, at deutererede versioner af begge mælkesyreenantiomerer er tilgængelige.

Anna Leung og Hanna Wacklin-Knecht fra ESS har lavet deutererede mælkesyremonomerer ved hjælp af enzymer. Disse er derefter blevet brugt af Andreas Raba og Jürgen Allgaier ved FZJ og Klaus Beckerle ved RWTH Aachen University til at fremstille deutereret polymælkesyre.

Fremstilling af mælkesyre

Først, en deutereret version af forstadiet natriumpyruvat blev lavet, hvilket tager omkring 3 dage. Dette omdannes til laktat i en enzymreaktion over ca. 10 dage, ved hjælp af enzymet Lactatdehydrogenase. Det er så nemt at ændre laktatet til mælkesyre. De forskellige L- og D-enantiomerer blev fremstillet under anvendelse af en specifik version af Lactat-dehydrogenase-enzymet i hvert tilfælde.

Deuteration af lipider

Syntesen af ​​mælkesyre var ikke det eneste, holdet ønskede at udforske med enzymer. En anden interessant molekylegruppe at deuterere for neutronteknikker er lipider, som ILL producerer biologisk.

For at opbygge et deutereret lipid laver du hovedgruppen og "benene" af molekylet hver for sig og forbinder dem derefter. Dette gøres ofte kemisk, men måske enzymer kunne vise sig nyttige til denne proces. Enzymer kunne fjerne "benene" et ad gangen og genmontere deutererede versioner klar til neutroneksperimenter.

Anna begyndte at udforske phospholipase-enzymer til denne opgave. Imidlertid, det var ikke let. Oliver Bogojevic kom med i projektet i 2018, bringe viden om enzymstruktur og funktion og erfaring med at arbejde med enzymmanipulation. Stadig, enzymer er udfordrende ting at arbejde med, og Anna og Oliver lærte konstant ting ved at prøve og fejle. Enzymer blev let denatureret af høje temperaturer eller ændringer i pH, og de fandt ud af, at nogle enzymer har meget snæver substratspecificitet, mens andre accepterer en bred vifte af substrater. Reaktionerne krævede konstant overvågning, og det var svært at vide, hvordan man skulle analysere produkterne med hensyn til renhed.

Det var også kompliceret at øge omfanget af produktionen til at lave større mængder, f.eks. op til 100 mg perdeutereret forbindelse. Dette skyldes, at hvis du har mere udgangsmateriale, grænsefladeområderne, hvor de vigtige interaktioner forekommer, skalerer ikke på samme måde, dvs. fordobling af udgangsmaterialet fordobler ikke automatisk det tilgængelige overfladeareal. Holdet skulle udforske metoder til at blande reaktanterne for at øge grænsefladearealerne passende. Arbejdet med dette projekt fortsætter; ESS DEMAX-teamet tilbød deutererede fosfolipider i deres første forslagsindkaldelse, udgivet tidligere i år.

På trods af udfordringerne, imidlertid, der er nogle store fordele ved at bruge enzymer. De er meget selektive, ikke kemisk giftig, genanvendelige, og antallet af nødvendige trin i en synteseproces reduceres.

Arbejdet udført for SINE2020 har etableret en enzymkatalysemetodologi, ikke kun for disse molekyler, men en, der burde være kompatibel med et stort antal andre substrater og enzymreaktioner. Dette vil hjælpe med at udvide brugeradgangen til et stort udvalg af højværdi deutererede små molekyler med neutronspredningsapplikationer.