Nyligt udviklet enzym fremskynder langsom organisk reaktion

Alsidige katalysatorer med nye funktioner og funktioner kan revolutionere videnskabsmænds syntetiske strategier og bane vejen for kemikalier af høj værdi og en grønnere kemisk industri. På jagt efter sådanne katalysatorer har forskere konstrueret et enzym, der kan fremskynde en organisk reaktion, der er kendt for sin ekstremt langsomme reaktionshastighed.

Den pågældende reaktion kaldes Morita-Baylis-Hillman (MBH)-reaktionen, en kraftfuld proces, der bruges til at danne en carbon-carbon-binding mellem en alken og en elektrofil forbindelse såsom aldehyd. MBH-reaktionen skaber produkter, der er nyttige byggesten til yderligere synteser. Det kræver dog høje katalysatorbelastninger og har lange reaktionstider med eksisterende katalysatorer (normalt småmolekylære katalysatorer såsom DABCO og DMAP), hvilket tager flere dage at producere en nyttig mængde produkt. På trods af dens anvendelighed i organisk syntese forhindrer disse ulemper derfor dens mere udbredte anvendelse.

"De typiske katalysatorer, du bruger til denne reaktion, er små nukleofiler," udtaler prof. Anthony Green fra enzC-Hem-projektværten University of Manchester, Storbritannien, i en artikel, der er lagt ud på "Chemistry World." "Det skønne ved biologi er, at hvis du kan konstruere et enzym eller designe et protein til at udføre denne reaktion, er hastighedsaccelerationen betydelig sammenlignet med alt, der er opnået med småmolekylekemi," fortsætter prof. Green, som er seniorforfatter. af undersøgelsen offentliggjort i tidsskriftet Nature Chemistry .

Vejen til en bedre katalysator

Med det formål at skabe den første effektive og selektive biokatalysator til MBH-reaktionen brugte forskerholdet et enzym - BH32 - udviklet et par år tidligere af Dr. David Baker og hans team ved University of Washington i USA. Som rapporteret i nyhedsartiklen, mens Dr. Baker - som er medforfatter i det aktuelle studie - og hans team lykkedes med at designe enzymer til MBH-reaktionen, virkede disse enzymer svagt. "De var katalytisk kompetente, men var ikke levedygtige biokatalysatorer," ifølge prof. Green.

For at skabe det nye enzym udsatte forskerholdet ledet af prof. Green det primitive enzym BH32 for en proces kaldet rettet evolution. Et kraftfuldt ingeniørværktøj til at skræddersy enzymer til ønskede transformationer, rettet evolution forbedrer proteinernes funktioner gennem gentagne runder af mutation og selektion. Efter 14 evolutionsrunder lykkedes det for forskerholdet at konstruere et enzym kaldet BH32.14, der er betydeligt hurtigere og også enantioselektivt.

Resultaterne viste, at lave koncentrationer af BH32.14 tilsat til MBH-reaktionen kan opnå meget større udbytter end høje belastninger af nuværende småmolekylære katalysatorer. Derudover tager reaktionen kun et par timer, ikke flere dage.

Det nyudviklede enzym "er et af de mest komplekse designede enzymer, der er anvendt til organisk kemi til dato," rapporterer artiklen. Arbejdet støttet af enzC-Hem (Creating Versatile Metallo-Enzyme Environments for Selective C-H Activation Chemistry:Lignocellulose Deconstruction and Beyond) viser, at en kombination af computerdesign og rettet evolution kan føre til nye biokatalysatorer for vigtige kemiske transformationer, der ikke findes i naturen. + Udforsk yderligere

Forståelse af enzymudvikling baner vejen for grøn kemi