Ny funktion for planteenzym kan føre til grøn kemi

Forskere ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory har opdaget en ny funktion i et planteenzym, der kan have konsekvenser for designet af nye kemiske katalysatorer. Enzymet katalyserer, eller igangsætter, en af ​​de kemiske grundstensreaktioner, der er nødvendige for at syntetisere en bred vifte af organiske molekyler, inklusive dem, der findes i smøremidler, kosmetik, og dem, der bruges som råmaterialer til fremstilling af plast.

"Dette enzym kunne inspirere til en ny form for 'grøn' kemi, " sagde Brookhaven Lab biokemiker John Shanklin, der ledede forskningen. "Måske kan vi tilpasse dette biomolekyle til at lave nyttige kemikalier i planter, eller brug det som grundlag for at designe nye bio-inspirerede katalysatorer til at erstatte dyrere, giftige katalysatorer i brug."

Shanklin og hans team offentliggjorde et papir, der beskrev forskningen i tidsskriftet Plantefysiologi .

Holdet gjorde opdagelsen i løbet af deres igangværende forskning i enzymer, der afmætter planteolier. Disse desaturase-enzymer fjerner hydrogenatomer fra specifikke tilstødende carbonatomer i en carbonhydridkæde og indsætter en dobbeltbinding mellem disse carbonatomer. Shanklins gruppe havde tidligere skabt en triple mutant version af et desaturase enzym med interessante egenskaber, og de studerede de tre mutationer hver for sig for at se, hvad hver enkelt gjorde.

To af de enkelte mutante enzymer viste sig at fjerne dobbeltbindingen mellem tilstødende carbonatomer og tilføjede en "OH" (hydroxylgruppe) til hvert carbon for at producere en fedtsyre med to tilstødende hydroxylgrupper.

Fedtsyrer indeholdende sådanne tilstødende OH-grupper, kendt som dioler, er vigtige kemiske komponenter til fremstilling af smøremidler, som dem, der holder varme motorer kørende. De kan også omdannes til byggeklodser til fremstilling af plast eller andre råvarer.

"Dioler er virkelig vigtige industrielle kemikalier, men at lave dem kunstigt i laboratoriet er ret problematisk, " sagde Shanklin.

De bedste industrielle katalysatorer til denne reaktion er dyre, meget flygtige, og giftig, bemærkede han.

Et andet problem er, at der er forskellige former for dioler, og det er svært for kemikere at lave en enkelt ren form.

"De enzymmutanter, vi opdagede, laver naturligt en enkelt form, så den er klar til brug uden yderligere behandling eller spild, " sagde Shanklin.

At spore oprindelsen af ​​oxygenatomerne i de to OH-grupper afslørede, at begge kom fra det samme oxygenmolekyle (O?). Evnen til at overføre begge iltatomer fra et enkelt O? molekyle under en reaktion, kendt som "dioxygenase" kemi, var noget af en overraskelse for et "dijern"-enzym (et med to jernatomer på sit aktive sted).

"Dioxygenase-kemi er ikke tidligere blevet rapporteret for dijernenzymer, " sagde Shanklin. "Vi var nødt til at udføre nogle teknisk udfordrende eksperimenter for at give et uomtvisteligt bevis på, at dette faktisk skete, og uden Ed Whittles kreativitet og vedholdenhed, vi ville ikke have gennemført denne undersøgelse."

Whittle, hovedforfatteren på papiret (nu pensioneret fra Brookhaven Lab), har flittigt arbejdet på dette projekt over en årrække i Shanklins laboratorium for at få fat i denne vigtige nye opdagelse.

Holdets næste mål er at opnå en krystalstruktur af dette enzym ved hjælp af røntgenstråler på National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - en DOE Office of Science brugerfacilitet på Brookhaven Lab.

"Vi vil dele den strukturelle information med vores beregningskemikolleger for at finde ud af detaljerne om, hvordan denne hidtil usete kemi kan forekomme med denne klasse af katalysatorer."

Dette arbejde kunne hjælpe holdet med at lære at kontrollere konfigurationen af ​​laboratoriefremstillede katalysatorer for at efterligne den plante-afledte version.

"Hvis vi kan inkorporere det, vi har lært, i designet af industrielle katalysatorer, disse reaktioner kunne producere renere produkter med mindre spild og undgå at bruge giftige kemikalier, " sagde Shanklin.