At flytte grænserne for miljøvenlig kemisk produktion med azaarener

Et hold af banebrydende forskere fra Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) har taget et betydeligt spring fremad i den komplekse verden af ​​molekylær kemi.

Deres fokus? Azaarener, unikke molekylære puslespilsbrikker, der er afgørende for mange hverdagsprodukter, fra miljøvenlige landbrugskemikalier til væsentlige lægemidler. CABBI-teamet demonstrerede en innovativ måde at modificere disse molekyler på, en banebrydende opdagelse, der lover nye industrielt relevante kemiske reaktioner og bæredygtige energiløsninger.

Centralt i deres forskning er brugen af ​​fotoenzymatiske systemer. I enklere vendinger er det beslægtet med at overlade naturens små arbejdere, enzymer, med en lommelygte, hvilket gør dem i stand til at samle eller reparere molekylære strukturer på hidtil usete måder. Ved at udnytte lysets kraft har disse videnskabsmænd afdækket nye kemiske reaktioner, som man tidligere troede var uden for rækkevidde.

Undersøgelsen, offentliggjort i Nature Chemistry , blev udført af forskere fra University of Illinois Urbana-Champaign.

Hovedforfatterne er CABBI Conversion Theme Leader Huimin Zhao, professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab (ChBE), temaleder for biosystemdesign for Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB) og direktør for NSF Molecule Maker Lab Institute i Illinois; og Maolin Li, en postdoktoral forskningsassistent med CABBI, ChBE og IGB.

Azaarener, der tilsyneladende er meget små i kemiens store univers, spiller ikke desto mindre en monumental rolle. De er byggestenene i et væld af forbindelser, der påvirker selv DNA'et i vores celler. Men udfordringen har altid ligget i deres manipulation.

Takket være holdets udvikling af et ene-reduktase-system – et specialiseret molekylært værktøjssæt, der bruger ene-reduktase-enzymet, som Zhaos laboratorium har indsat i tidligere undersøgelser – fandt forskerne en måde at omhyggeligt modificere disse molekyler uden sideskader.

En af de iøjnefaldende resultater af deres arbejde er at mestre den enantioselektive hydrogenatomoverførsel. Molekyler kommer ofte i venstre- og højrehåndede versioner eller enantiomerer, ligesom handsker. Holdets metode giver dem mulighed for selektivt at målrette og justere begge versioner med uovertruffen præcision. Desuden kunne de gennem fjernbetjening af stereo foretage disse præcise justeringer på afstand.

For CABBI og bioenergisektoren er denne opdagelse en game-changer. Biobrændstoffer og bioprodukter - energi og produkter afledt af plantemateriale i stedet for ikke-fornybare ressourcer som olie - repræsenterer en grønnere og mere bæredygtig fremtid. Holdets forskning har udvidet rækken af ​​kemiske reaktioner og bioprodukter, der kan fremstilles effektivt.

Undersøgelsen introducerede også begrebet asymmetrisk fotokatalyse, en revolutionerende teknik, der sikrer konsistens i disse reaktioner. Det kan åbne op for nye muligheder for at producere biobrændstoffer og bioprodukter fra en bredere vifte af biomasseråvarer, som er direkte i tråd med CABBI's mål og den bredere DOE-mission om at fremme bæredygtig energi og produktløsninger.

"Med vores nye tilgang til azaarener og brugen af ​​enzymatisk hydrogenatomoverførsel skubber vi ikke kun grænser i kemi," sagde Zhao. "Vi lægger grundlaget for en mere bæredygtig og innovativ fremtid. Vores forskning har udvidet det tilgængelige værktøjssæt til miljøvenlig produktion og har potentialet til at katalysere gennembrud inden for landbrugskemikalier og mere."

Ud over laboratoriet er potentialet for applikationer i den virkelige verden enormt, fra at lede satsningen inden for bæredygtig energi til at stå i spidsen for sikrere landbrugskemikalier. Fremskridt inden for bioenergi og bioprodukter kan føre til økonomisk vækst med nye industrier, arbejdspladser og produkter til forbrugerne og potentielt mere overkommelige energikilder. Ved at fremme bæredygtige og effektive produktionsmetoder kan forskningen reducere forurening og miljøforringelse, hvilket resulterer i renere luft og vand for lokalsamfundene.

Mens verden kæmper med miljømæssige udfordringer og det presserende behov for bæredygtige løsninger, lyser opdagelser som disse vejen frem, sagde Li.

"Som postdoc-forsker på dette projekt har jeg været dybt fordybet i azaarenernes forviklinger og deres potentiale. Det har virkelig været spændende at optrevle udfordringerne ved fjernstereostyring og vidne til de transformative muligheder i vores resultater. Denne forskning er ikke kun om nuancerne af kemiske reaktioner, det handler om fremtiden for bæredygtig energi og mere. Jeg er spændt på at se, hvor denne rejse bringer os næste gang.

Flere oplysninger: Li, M. et al., Fjernstereokontrol med azaarener via enzymatisk hydrogenatomoverførsel, Nature Chemistry (2023). DOI:10.1038/s41557-023-01368-x. www.nature.com/articles/s41557-023-01368-x

Journaloplysninger: Naturkemi

Leveret af University of Illinois at Urbana-Champaign