Ny metode bruger lys til at muliggøre generering af ikke-kanoniske aminosyrer

UC Santa Barbara-forskere bygger repertoiret af kemiske reaktioner ud ved hjælp af lys. I et papir offentliggjort i tidsskriftet Nature , kemiprofessor Yang Yang og samarbejdspartnere ved University of Pittsburgh rapporterer om en metode, der bruger fotobiokatalyse til at producere ikke-kanoniske (ikke naturligt forekommende) aminosyrer, der er værdifulde byggesten i peptidterapi, bioaktive naturprodukter og nye funktionelle proteiner.

"Der er gjort så mange anstrengelser inden for biokatalyse, og vi er nu på et punkt, hvor vi rationelt kan designe helt nye enzymatiske reaktioner, som er uden fortilfælde i enten kemi eller biologi," sagde Yang.

De fleste bestræbelser inden for biokatalyse eller acceleration af kemiske reaktioner via enzymer - naturens privilegerede katalysatorer - har lænet sig op mod at optimere naturlige enzymfunktioner, der er nyttige for syntetisk kemi, eller genbruge naturlige enzymer for at lette unaturlige reaktioner kendt af syntetisk kemi. På trods af et årti med omfattende forskning er der kun en håndfuld eksempler på enzymatiske reaktioner, der både er nye i naturen og nye til syntetisk kemi.

"Det, vi er interesserede i, er i bund og grund at opdage helt nye enzymatiske reaktioner og generelle måder for enzymkatalyse," tilføjede Yang.

Gå ind i fotobiokatalyse, hvor lys bruges til at excitere enzymer til at generere energi (ofte i form af frie radikaler) til at omdanne et molekyle til et andet. Fotobiokatalyse, som er et relativt ungt felt inden for kemi, udnytter selektiviteten og effektiviteten af ​​enzymer og kombinerer det med lysets alsidighed og bæredygtighed for at skabe nye processer, og i dette tilfælde ikke-kanoniske aminosyrer.

Interagerende katalytiske processer

For denne undersøgelse fokuserede forskerholdet på pyridoxal-phosphat (PLP)-afhængige enzymer, en stor familie af enzymer, der er ansvarlige for metabolismen af ​​aminosyrer. Holdet udviklede en interagerende, tredobbelt katalytisk cyklus, hvor en fotokatalysator - en iridiumbaseret forbindelse - udsættes for lys, hvilket sætter en proces i gang, der genererer et forbigående frit radikal, mens en anden cyklus ved hjælp af lys regenererer fotokatalysatoren.

Samtidig modificerer biokatalysecyklussen ved hjælp af et PLP-enzym aminosyresubstratet via en række aktiveringstrin, der er unikke for PLP-biokemi. Det frie radikal, der genereres fra fotokemi, kommer i spil her, kommer ind i enzymets aktive sted og engagerer det enzymatiske mellemprodukt for at muliggøre ny kemi. Dette samarbejde mellem enzymet og fotokatalysatoren tillader produktionen af ​​et ikke-kanonisk aminosyreprodukt.

Ændringen af ​​- i dette tilfælde - almindelige aminosyremolekylære strukturer tilføjer nye funktioner og muligheder til disse syrer. Ved at skabe en ny kulstof-kulstof-binding til det kritiske "alfa-carbon" i aminosyren, sagde Yang, bliver det muligt at bruge denne "rygrad" til at designe en række nye aminosyrer, der igen kan yde nye, unikke og ønskværdige funktioner som grundlag for nye terapier og naturlige produkter.

"Dette er den første demonstration af pyridoxisk biokatalyse via radikal-medieret alfa-funktionalisering af rigelige aminosyresubstrater," påpegede Yang.

Derudover er den meget effektive proces både stereoselektiv, hvilket betyder, at den kan vælge en foretrukken tredimensionel "form" af den resulterende aminosyre, og den eliminerer de ekstra trin med tilføjelse og fjernelse af "beskyttende grupper" eller forbindelser, der maskerer visse reaktive områder på molekyler for at forhindre uønskede kemiske reaktioner i disse områder.

"Vi har afsløret interessante interaktioner mellem fotokatalysatoren og enzymet," sagde Yang, hvis gruppe studerer, hvordan man yderligere kan forbedre interaktionerne mellem de to katalysatorer. "Jeg tror, ​​at dette vil føre til ny grundlæggende videnskab, både fra et syntetisk kemi synspunkt og også et enzymologisk synspunkt."

Flere oplysninger: Tian-Ci Wang et al., Stereoselektiv aminosyresyntese ved fotobiokatalytisk oxidativ kobling, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07284-5

Journaloplysninger: Natur

Leveret af University of California - Santa Barbara