I chimici di Princeton hanno trovato un modo per far assumere a un enzima naturale un nuovo, ruolo artificiale, che ha implicazioni significative per la chimica moderna, compresa la produzione farmaceutica. Il loro lavoro appare sulla rivista Chimica della natura .

"Abbiamo trovato un modo completamente nuovo per far sì che gli enzimi eseguano una reazione non naturale, "ha detto Todd Hyster, un assistente professore di chimica. "Una prospettiva tradizionale dice che gli enzimi faranno solo una cosa. Questo documento mostra che questo potrebbe non essere vero per tutti gli enzimi. Ancora più importante, la strategia descritta in questo documento può essere potenzialmente applicata ad altre famiglie di enzimi, il che significa che saremo in grado di utilizzare questo approccio per inventare reazioni enzimatiche completamente nuove. Penso che questo abbia il potenziale per alterare il modo in cui costruiamo le molecole".

Gli enzimi sono i catalizzatori della natura, le chiavi per far sì che le reazioni biochimiche critiche avvengano abbastanza rapidamente da sostenere la vita. I chimici organici lo sfruttano da oltre 100 anni, ma fino ad ora, il loro uso è stato limitato, poiché i singoli enzimi sono spesso in grado di catalizzare solo una singola reazione.

Ora, i ricercatori del laboratorio di Hyster hanno rimosso un enzima dal suo ambiente naturale, aggiunto alcuni nuovi ingredienti, ed è riuscito a fargli catalizzare un diverso tipo di reazione chimica, dove ha funzionato sorprendentemente bene.

"Todd sta scoprendo abilità nascoste nel vasto repertorio di chimica della biologia, alcuni dei quali potrebbero non essere utili alla biologia ma saranno molto utili a noi, " ha detto Frances Arnold, il Linus Pauling Professore di Ingegneria Chimica, Bioingegneria e biochimica presso il California Institute of Technology, che non è stato coinvolto in questa ricerca.

"Sta dimostrando che gli enzimi sono capaci di molte imprese, "disse Arnoldo, che si è laureato a Princeton nel 1979. "Tutto quello che devi fare è fare le domande giuste".

La chiave era semplificare la loro comprensione di come un enzima catalizza una reazione, disse Hyster.

"Penso di essere sempre sorpreso che il nostro approccio semplificato alla catalisi enzimatica funzioni davvero, "Hyster ha detto. "Come studenti, ci viene insegnato che gli enzimi sono catalizzatori incredibilmente complicati e specifici. ... Ogni volta che scopriamo che sono in grado di fare qualcosa di completamente nuovo che la natura non ha mai inteso, è sorprendente ed emozionante."

Nella loro reazione, i ricercatori hanno aggiunto una piccola quantità di un colorante fotoeccitabile accuratamente selezionato all'enzima e lo hanno inondato di luce verde. Così facendo, hanno messo insieme due rami della chimica solitamente non correlati, ha osservato Kyle Biegasiewicz, un associato di ricerca post-dottorato nel laboratorio di Hyster e uno dei due co-primi autori dell'articolo.

"Abbiamo scoperto un matrimonio incredibilmente eccitante di catalisi enzimatica (biocatalisi) e catalisi fotoredox, " ha detto Biegasiewicz.

Ai chimici, ottenere più della reazione che vuoi e meno di una reazione che non vuoi è noto come "selettività". Gli enzimi sono molto più "selettivi" della maggior parte dei catalizzatori a piccole molecole, e questa nuova tecnica consente agli scienziati di sfruttarla per le proprie reazioni desiderate. "In modo significativo, questa nuova trasformazione mostra alti livelli di selettività per una classe di reazioni che prima erano molto difficili da controllare, " disse Hyster.

In sostanza, la loro svolta consente un nuovo approccio "plug-and-play", utilizzando enzimi per attivare nuova reattività catalitica, che ha molti risvolti entusiasmanti, ha detto Biegasiewicz. "Anche se non posso fornire dettagli sui progetti in corso nel gruppo, Informo la comunità sintetica di rimanere sintonizzata:le ultime novità sono davvero fantastiche!"

Questa nuova scoperta è un altro aspetto della fotocatalisi della luce visibile che sta trasformando la chimica moderna, disse Hyster.

"Il campo della catalisi è stato rivoluzionato nell'ultimo decennio dallo sviluppo di metodi che utilizzano la luce, " ha detto. "Princeton è stato davvero un pilota in questo settore. Professori di chimica di Princeton [David] MacMillan, [Abigail] Doyle e [Robert] Knowles usano tutti la luce per fare cose davvero incredibili usando catalizzatori a piccole molecole. Abbiamo dimostrato che l'utilità della luce non è limitata ai catalizzatori di piccole molecole; può anche espandere i tipi di cose che possiamo fare con gli enzimi. Penso che sia abbastanza pulito."

L'idea per questo percorso di ricerca è nata seguendo "le briciole di pane" in ricerche precedenti, disse Simon Cooper, uno studente laureato nel laboratorio di Hyster e uno dei primi autori del documento. Altri scienziati avevano dimostrato che l'esposizione alla luce ultravioletta provocava un cambiamento significativo nel comportamento di una molecola abbondante, nicotinammide adenina dinucleotide fosfato (NADPH), che il team di Hyster ha aggiunto all'enzima insieme al colorante fotosensibile.

"Quando esposto alla luce UV, Il NADPH può passare dal trasferimento di due elettroni e un protone in un unico passaggio al trasferimento prima di un elettrone e poi di un atomo di idrogeno (un elettrone e un protone), " ha detto Cooper. "Abbiamo pensato che se potessimo sfruttare questo nuovo percorso all'interno di un enzima, nuove preziose reazioni attendevano di essere scoperte. ... L'aspetto più importante dei risultati di questo articolo è il controllo del trasferimento di un atomo di idrogeno per creare solo una delle due possibili forme speculari di una molecola. Questo tipo di selezione tra due forme di immagine speculare è stato tradizionalmente molto difficile da ottenere per il trasferimento di un atomo di idrogeno, e i metodi qui divulgati sono una soluzione a questa sfida".

Cooper ha aggiunto:"Mentre avanziamo ulteriormente nel 21° secolo, se una popolazione mondiale in crescita deve sperimentare le comodità di ciò che diamo per scontato nel mondo sviluppato, avremo bisogno di forme di catalisi chimica più convenienti e sostenibili per fornire molti dei prodotti che sono attribuibili allo stile di vita moderno. I metodi divulgati nel nostro documento inizieranno a spianare la strada, forse."

"La nostra chimica può sembrare di nicchia o esoterica, ma questi esempi servono solo come prove di concetto per quelli che possono diventare metodi potenti per creare nuove molecole che possono avere un impatto sociale tangibile:prodotti farmaceutici, prodotti agrochimici, fragranze e l'elenco potrebbe continuare, " ha detto Megan Emmanuel, uno studente laureato nel laboratorio di Hyster e un coautore del documento. "L'implicazione che il nostro lavoro possa, un giorno, essere utilizzato per dare un contributo significativo alla vita delle persone è eccitante".

La carta, "Promiscuità catalitica consentita dalla catalisi fotoredox nelle ossidoriduttasi dipendenti dalla nicotinamide" di Kyle Biegasiewicz, Simone Cooper, Megan Emmanuel, David Miller e Todd Hyster, è stato pubblicato in Chimica della natura l'11 giugno 2018.