Kemikere viser, at det katalytiske udvalg af enzymer kan udvides

Kemikere ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) har opdaget en måde at udvide enzymernes naturlige substratomfang og udvide rækken af ​​reaktioner, de kan katalysere. Holdet ledet af professor Tobias Erb og Dr. Christopher Gregg udviklede et kunstigt metalloenzym, der udviser hidtil uset katalytisk promiskuitet. Forskerne fusionerede et rationelt designet zinkbindingssted til et eksisterende enzymstillads. Dette fusionsprotein blev vist at katalysere cycloadditionen af ​​aziridiner med kuldioxid for at give oxazolidinoner - en reaktion, der hidtil ikke er blevet observeret i naturen. Undersøgelsen, som for nylig blev offentliggjort i det anerkendte tidsskrift Nature Chemistry, åbner op for nye muligheder for design af biokatalytiske processer.

Enzymer er proteinmolekyler, der katalyserer kemiske reaktioner i levende organismer. De er meget selektive og effektive, hvilket gør det muligt for komplekse reaktioner at forekomme under milde reaktionsbetingelser. Imidlertid er substratomfanget af enzymer ofte begrænset, hvilket betyder, at de kun kan katalysere et snævert udvalg af reaktioner.

"At udvide det katalytiske repertoire af enzymer er et langvarigt mål inden for kemi og bioteknologi," siger Tobias Erb, professor i kemisk biologi og genetik ved JGU. "Dette ville give os mulighed for at bruge enzymer til en bredere vifte af syntetiske reaktioner og potentielt udvikle nye biokatalytiske processer til produktion af lægemidler og andre finkemikalier."

En måde at udvide enzymernes substratomfang er at konstruere dem ved at introducere mutationer eller kemiske modifikationer. Denne tilgang er dog ofte trættende og tidskrævende, og det kan være svært at forudsige, hvilke modifikationer der vil føre til den ønskede katalytiske aktivitet.

"Vi ønskede at udvikle en mere generel strategi, der ville give os mulighed for at udvide det katalytiske udvalg af enzymer på en rationel og effektiv måde," forklarer Christopher Gregg, en postdoc-forsker i Erbs gruppe. "Vi blev inspireret af det faktum, at mange enzymer indeholder metalioner, der er essentielle for deres katalytiske aktivitet."

Forskerne antog, at ved at indføre et metalbindingssted i et eksisterende enzymstillads kunne de skabe et kunstigt metalloenzym med en ny katalytisk aktivitet. For at teste denne hypotese fusionerede de et rationelt designet zinkbindingssted til et enzymstillads afledt af enzymet chorismatmutase.

"Vi var glade for at opdage, at fusionsproteinet udviste hidtil uset katalytisk promiskuitet," siger Gregg. "Det var i stand til at katalysere cycloadditionen af ​​aziridiner med kuldioxid for at give oxazolidinoner - en reaktion, der hidtil ikke er blevet observeret i naturen."

Forskerne mener, at deres strategi også kan bruges til at udvide det katalytiske udvalg af andre enzymer. "Vi arbejder i øjeblikket på at udvide omfanget af vores kunstige metalloenzym til andre typer reaktioner," siger Erb. "Vi udforsker også brugen af ​​andre metalioner og enzymstilladser."

Undersøgelsen, som blev offentliggjort i Nature Chemistry den 20. februar 2023, åbner op for nye muligheder for design af biokatalytiske processer. Ved at udvide det katalytiske udvalg af enzymer kan det være muligt at udvikle mere effektive og miljøvenlige metoder til fremstilling af en række forskellige kemikalier.