Kemikere skaber nyt kunstigt enzym

Enzymer er naturens kraftværker. Findes i cellerne hos alle dyr, planter, og enhver anden levende organisme, de fremskynder de kemiske reaktioner, der udløser tusindvis af biologiske funktioner – fra at danne neuroner til at fordøje mad.

De udfører deres job så selektivt og så hurtigt - millioner af gange hurtigere end et blink med øjet - at området for biomimetisk kemi er dukket op i løbet af de sidste par årtier med det mål at designe kunstige enzymer, der kan efterligne naturlige enzymers kræfter i industrielle omgivelser. Kunstige enzymer kan for eksempel, omdanne majs til ethanol eller hjælpe med at skabe nye lægemidler hurtigere, billigt, og effektivt.

At gå et skridt tættere på at nå dette mål, Rajeev Prabhakar, en beregningskemiker ved University of Miami, og hans samarbejdspartnere ved University of Michigan har skabt en roman, syntetisk, trestrenget molekyle, der fungerer ligesom et naturligt metalloenzym, eller et enzym, der indeholder metalioner.

"Det var ikke klart, at de kunne laves, men vi lavede dem. Og, så brugte vi dem til med succes at katalysere reaktioner, " sagde Prabhakar, en professor i kemi, der studerer enzymreaktioner i håb om at designe deres kunstige analoger. "Dette er et gradvist, men vigtigt skridt i udviklingen af ​​kunstige enzymer, som længe har været betragtet som kemiens hellige gral. Desværre, så godt som naturlige enzymer virker i vores kroppe og andre livsformer, de tolererer ikke andre indstillinger særlig godt. De er også meget dyre og ikke nemme at forberede og rense."

For deres banebrydende undersøgelse offentliggjort i Naturkemi denne uge, Prabhakar og kandidatstuderende Vindi M. Jayasinghe-Arachchige gik sammen med Vincent L. Pecoraro, en professor i kemi ved University of Michigan, at forbedre ydeevnen af ​​de kunstige enzymer, som Pecoraros laboratorium har været banebrydende gennem årene. Michigan-forskerne havde tidligere skabt enklere syntetiske metalloenzymer, der med succes katalyserede en række kemiske reaktioner. Men de kunstige makromolekyler blev designet med tre identiske, eller symmetriske "homotrimere" tråde, hvilken, Prabhakar sagde, begrænsede deres katalytiske evner.

I det nye molekyle, som Jayasinghe-Arachchige designede på University of Miamis supercomputer med Prabhakars vejledning, den tredje streng adskiller sig i struktur fra de to andre strenge. Hendes kvantemekaniske beregninger viste, at jo mere komplekse, ikke-symmetrisk, trestrenget struktur, kendt som en "heterotrimerisk" spole, udvidet den katalytiske ydeevne af homotrimere kunstige metalloenzymer - et fund, som Pecoraro og hans team bekræftede med eksperimenter i hans Michigan-laboratorium.

"Vores teknikker er forskellige, men gratis, " sagde Prabhakar. "Hvad vi gør, kan Pecoraro-gruppen ikke gøre, og hvad de laver, vi kan ikke gøre. Vi modellerer molekyler på computeren, så vi kan forudsige deres strukturelle egenskaber og mekanismen i deres formationer. De bruger vores modeller til at bygge den ægte vare, og i dette tilfælde er det det første eksempel på et naturligt heterotrimert molekyle."

De fleste lægfolk ville sandsynligvis finde undersøgelsen lige så uforståelig som dens titel:"Heteromere trestrengede coiled coils designet ved hjælp af en Pb(II)(Cys)3 skabelon medieret strategi." Men bundlinjen, Prabhakar sagde, er, at den kollaborative forskning udført i Miami og Michigan åbner døren til en ny strategi for at opnå skabelsen af ​​kunstige enzymer, der virker lige så godt som naturlige enzymer.

Ud over Pecocaro, Prabhakar, og Jayasinghe-Arachchige, andre medforfattere til undersøgelsen inkluderer Prabhakars tidligere kandidatstuderende, Thomas J. Paul, nu ved University of Michigan; Audrey E. Tolbert, Catherine S. Ervin, og Kosh P. Neupane, også fra University of Michigan; og Leela Ruckthong, fra King Mongkut's University of Technology, i Thailand.

Nu på sit sidste studieår til sin doktorgrad i kemi, Jayasinghe-Arachchige sagde, at hun fortsat er fascineret af fremskridtene inden for beregningskemiteknikker, der gjorde det muligt for hende at modellere de kemiske strukturer og reaktioner af det nye molekyle.

"Jeg er spændt på, at vores resultater vil skabe nye veje til udvikling af effektive kunstige enzymer, der kan bruges til at forbedre livskvaliteten, '' sagde Jayasinghe-Arachchige, "og som kvinde i et felt, hvor kvinder er underrepræsenteret, Jeg håber, at denne undersøgelse vil motivere kvinder til at slutte sig til den fascinerende verden af ​​STEM-felter."