Una nuova ricerca dell'Istituto di scienze della vita dell'Università del Michigan sta costruendo un ponte dalla chimica della natura a una più verde, chimica di sintesi più efficiente.

I ricercatori del laboratorio di Alison Narayan hanno analizzato i biocatalizzatori evoluti dalla natura per la loro efficacia in una varietà di reazioni chimiche sintetiche. I risultati, prevista per la pubblicazione 13 novembre in Chimica della natura , aprire la porta a pratiche promettenti per i chimici, indicando non solo strumenti più efficienti ma più potenti per i chimici.

I ricercatori hanno iniziato con microrganismi che hanno, nel corso dei millenni, sviluppato complesse reazioni chimiche per creare molecole con importante attività biologica per vari scopi, come i meccanismi di difesa. Gli scienziati hanno quindi analizzato i percorsi chimici che danno origine a queste molecole potenzialmente utili per determinare come possono essere riutilizzate per creare composti sinteticamente in laboratorio.

"La natura ha evoluto strumenti catalitici che consentirebbero ai chimici di costruire molecole che non possiamo costruire facilmente usando solo la chimica tradizionale, " disse Narayan, l'autore senior dello studio e assistente professore presso la LSI, dove si trova il suo laboratorio. "Il nostro lavoro collega i due mondi della biosintesi e della chimica sintetica".

Per costruire complessi, molecole bioattive, come le molecole che consentono ai farmaci di trovare i giusti bersagli biologici nel nostro corpo, i chimici sintetici spesso usano un processo chiamato Dearomatizzazione ossidativa. Questo processo converte le molecole piatte in strutture tridimensionali più reattive. Ma i tradizionali metodi di dearomatizzazione ossidativa hanno diversi difetti.

Poiché richiedono l'uso di un reagente chimico per convertire il materiale di partenza nel prodotto finale desiderato, le reazioni stesse sono abbastanza dispendiose. Inoltre, i reagenti dimostrano scarsa selettività nella trasformazione, risultante in una miscela di composti che contiene diversi inutili, e a volte dannoso, varianti della molecola del prodotto desiderato.

"Non è un processo molto efficiente, " disse Narayan, che è anche assistente professore di chimica all'UM College of Literature, Scienza, e le Arti. "Puoi finire con varie strutture quando vuoi davvero solo questa struttura specifica e generi molti rifiuti nel processo".

In questo recente studio, il laboratorio Narayan ha dimostrato che i catalizzatori enzimatici hanno il potenziale per risolvere questi problemi.

Gli enzimi sono catalizzatori efficienti, generare molte molecole di prodotto da una singola molecola del catalizzatore, portando a meno sprechi. E il laboratorio di Narayan ha scoperto che i catalizzatori eseguono le reazioni con una migliore selettività, il che significa che le reazioni producono solo la struttura molecolare desiderata.

Questi enzimi non sono stati ancora ampiamente adottati dai chimici perché la loro utilità e robustezza complessive per la chimica non sono state dimostrate, Narayan ha detto.

"Il lavoro svolto nel campo della biosintesi si concentra principalmente sulla comprensione di come sono fatte le molecole in natura e sull'identificazione della singola reazione che un enzima compie nel suo contesto naturale, " ha detto. "Dobbiamo capire come un enzima è utile nel campo della chimica sintetica, cosa può fare, con quali tipi di molecole funziona, in modo che i chimici possano semplicemente consultare la letteratura e vedere come possono utilizzare questo strumento".

Il programma di ricerca di Narayan inizia a colmare il divario tra questi due campi testando gli enzimi non solo per i loro ruoli naturali, ma per i ruoli che potevano svolgere in una varietà di reazioni. Il laboratorio ha anche sviluppato metodi per rendere questi enzimi facili da maneggiare alla rinfusa e da condividere con altri chimici.

"Stiamo dimostrando che questi enzimi possono svolgere più di un compito specifico per cui si sono evoluti in natura, " ha detto la studentessa Summer Baker Dockrey, l'autore principale dello studio. "Possono essere sorprendentemente generalizzabili e potrebbero rivelarsi strumenti altamente selettivi".

Il laboratorio sta ora lavorando sull'ingegneria di questi enzimi per eseguire più reazioni.

"Stiamo davvero iniziando a costruire la libreria di nuovi, efficiente, potenti strumenti per i chimici, "Ha detto Narayan.