Forskere udvikler en kraftfuld strategi til at skabe nye enzymer i naturen

Engineering enzymer til at udføre reaktioner, der ikke findes i naturen, kan løse mangeårige udfordringer i verden af ​​syntetisk kemi, såsom opgradering af plantebaserede olier til nyttige biokemikalier.

Et team af forskere har udviklet en enkel, men kraftfuld strategi til at skabe nye enzymer med ny reaktivitet, der kan producere værdifulde kemiske forbindelser, som bygger videre på deres tidligere arbejde ved at bruge lys til at genbruge naturligt forekommende enzymer.

Undersøgelsen, offentliggjort i Nature Catalysis, blev ledet af Xiaoqiang Huang, en tidligere postdoc-forsker ved University of Illinois Urbana-Champaigns afdeling for kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab (ChBE) og Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI), et amerikansk energi-finansieret Bioenergy Research Center . Huang, der i øjeblikket er assisterende professor ved Nanjing University i Kina, udførte dette arbejde i laboratoriet hos ChBE Professor Huimin Zhao, CABBI's Conversion Theme Leader og en tilknyttet Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB).

I undersøgelsen blev synligt lys brugt til at excitere et konstrueret ketoreduktase-enzym, hvilket muliggør en ny biokatalytisk reaktion kendt som en asymmetrisk radikalkonjugataddition, hvilket er ekstremt vanskeligt at opnå ved kemisk katalyse.

Katalysatorer er stoffer, der bruges til at fremskynde kemiske reaktioner. I levende organismer katalyserer proteinmolekyler kaldet enzymer reaktioner i en proces kaldet biokatalyse. Forskere er begyndt at bruge biokatalyse til at syntetisere værdifulde forbindelser, da dens høje selektivitet giver dem mulighed for at implementere enzymer til at virke på specifikke substrater og skabe målprodukter. En anden fordel er, at enzymatiske reaktioner er yderst bæredygtige. De er relativt billige, forbruger lave niveauer af energi og laver minimal skade på miljøet – i modsætning til kemiske katalysatorer, som typisk kræver organiske opløsningsmidler, varme og højt tryk for at fungere.

Alligevel er enzymer komplicerede at arbejde med. De er normalt begrænset til at katalysere reaktioner fundet i naturen, hvilket betyder, at forskere ofte kæmper for at finde den perfekte biokatalysator til at opfylde deres behov. Zhaos laboratorium har fokuseret på at styre biokatalyse med synligt lys, en proces kendt som "fotobiokatalyse", for at producere ny enzymreaktivitet. I et tidligere studie udviklede Zhao og Huang en synlig lys-induceret reaktion ved hjælp af et enzym ved navn en-reduktase (ER) som en biokatalysator til at producere høje udbytter af værdifulde chirale carbonylforbindelser, som har potentielle anvendelser til produktion af højværdikemikalier.

Den nye undersøgelse bygger på dette arbejde ved at bruge fotobiokatalyse på en anden enzymfamilie - nikotamidafhængige ketoreduktaser produceret af bakterier - og en anden kemisk mekanisme til at producere en anden type chirale carbonylforbindelser kendt som α-chirale estere. Gennem belysningen og udviklingen af ​​ketoreduktase opnåede holdet en enantioselektiv biokatalytisk radikalkonjugataddition af Giese-typen for at omdanne fedtsyrer til α-chirale estere, sagde Zhao.

Enantioselektivitet er den grad, i hvilken en enantiomer - en af ​​et par molekyler, der er spejlbilleder af hinanden - fortrinsvis produceres i en kemisk reaktion. Kiralitet er et grundlæggende træk ved organiske forbindelser, som i høj grad påvirker molekylernes egenskaber, og dets implikationer er enorme på mange områder, herunder biologi, medicin og materialevidenskab. For eksempel øger den mangfoldige stereokemi af organiske molekyler (det rumlige arrangement af atomer og dets virkning på kemiske reaktioner) ikke kun markant den biologiske verdens rigdom, men spiller også en dybtgående rolle i mange biologiske aktiviteter såsom molekylær kommunikation, sagde han. .

Resultaterne tilbyder praktiske anvendelser for CABBI's arbejde med at udvikle biobrændstoffer og biokemikalier fra afgrøder som miscanthus, sorghum og energirør i stedet for petroleum. Den nye biokatalytiske transformation kunne bruge de fedtsyrer, som CABBI genererer fra disse planter, som udgangsmaterialer til at syntetisere værdiskabende bioprodukter – såsom ingredienser til sæber eller hudplejeprodukter – på en miljøvenlig måde.

"Selvom vi ikke målrettede et specifikt produkt til yderligere anvendelse, giver dette arbejde en praktisk ny metode, der potentielt kan anvendes til at opgradere fedtsyrer," sagde Zhao. "Enzymer er arbejdshestene til biologisk syntese af brændstoffer og kemikalier fra vedvarende biomasse.

"En af de store videnskabelige ændringer i CABBIs konverteringsforskning, eller bioenergiforskning generelt, er manglen på kendte enzymer med den ønskede aktivitet og substratspecificitet til syntese af målbrændstoffer og kemikalier. Derfor er der et presserende behov for at udvikle nye strategier til at opdage eller konstruere enzymer med ønsket aktivitet eller reaktivitet." + Udforsk yderligere

Forskere kaster lys over ny enzymatisk reaktion