I percorsi tipici per produrre molecole per-deuterate per lo scattering di neutroni utilizzano metodi chimici che non sono adatti per molecole con gruppi funzionali sensibili, ad esempio l'uso di catalizzatori metallici, alta temperatura e alta pressione. Perciò, L'attività 5.3 nel pacchetto di lavoro sulla deuterazione chimica di SINE2020 ha esplorato l'uso di catalizzatori enzimatici efficienti, molto specifico della molecola e genera pochi o nessun sottoprodotti durante il processo di deuterazione.

I colleghi di SINE2020 presso l'ESS in Svezia e FZJ in Germania hanno esaminato l'acido polilattico polimero. Lo scattering di neutroni è un metodo ideale per studiare la struttura e le proprietà dell'acido polilattico, ma per rendere l'analisi più facile e più utile, sono necessarie forme deuterate del polimero.

L'acido polilattico è costituito da elementi costitutivi (o monomeri) di acido lattico uniti tra loro e si presentano in due forme che sono immagini speculari (o enantiomeri) l'una dell'altra. La biodegradabilità del polimero può essere adattata unendo insieme una miscela di questi enantiomeri, rendendo importante la disponibilità di versioni deuterate di entrambi gli enantiomeri dell'acido lattico.

Anna Leung e Hanna Wacklin-Knecht di ESS hanno prodotto monomeri di acido lattico deuterato utilizzando enzimi. Questi sono stati poi utilizzati da Andreas Raba e Jürgen Allgaier della FZJ e da Klaus Beckerle della RWTH Aachen University per produrre acido polilattico deuterato.

Fare acido lattico

Primo, è stata realizzata una versione deuterata del precursore piruvato di sodio, che dura circa 3 giorni. Questo viene convertito in lattato in una reazione enzimatica in circa 10 giorni, con l'aiuto dell'enzima lattato deidrogenasi. È quindi facile trasformare il lattato in acido lattico. I diversi enantiomeri L e D sono stati realizzati utilizzando in ciascun caso una versione specifica dell'enzima lattato deidrogenasi.

Deuterazione dei lipidi

La sintesi dell'acido lattico non era l'unica cosa che il team voleva esplorare con gli enzimi. Un altro interessante gruppo di molecole da deuterare per le tecniche dei neutroni sono i lipidi, che ILL stanno producendo biologicamente.

Per costruire un lipide deuterato si creano separatamente il gruppo di testa e le "gambe" della molecola e poi li si unisce. Questo è spesso fatto chimicamente, ma forse gli enzimi potrebbero rivelarsi utili per questo processo. Gli enzimi potrebbero rimuovere le "gambe" una alla volta e ricollegare versioni deuterate pronte per esperimenti sui neutroni.

Anna ha iniziato a esplorare gli enzimi della fosfolipasi per questo compito. Però, non è stato facile. Oliver Bogojevic ha aderito al progetto nel 2018, portando la conoscenza della struttura e della funzione degli enzimi e l'esperienza di lavoro con la manipolazione degli enzimi. Ancora, gli enzimi sono cose difficili con cui lavorare e Anna e Oliver imparavano costantemente le cose per tentativi ed errori. Gli enzimi sono stati facilmente denaturati dalle alte temperature o dai cambiamenti di pH e hanno scoperto che alcuni enzimi hanno una specificità di substrato molto stretta, mentre altri accettano un'ampia gamma di substrati. Le reazioni richiedevano un monitoraggio costante ed era difficile sapere come analizzare i prodotti in termini di purezza.

È stato anche complicato aumentare la scala di produzione per produrre quantità maggiori, per esempio. fino a 100 mg di composto deuterato. Questo perché se hai più materiale di partenza, le aree interfacciali in cui si verificano le interazioni importanti non si ridimensionano allo stesso modo, ovvero raddoppiando il materiale di partenza non si raddoppia automaticamente la superficie disponibile. Il team ha dovuto esplorare metodi per mescolare i reagenti al fine di aumentare le aree di interfaccia in modo appropriato. Il lavoro su questo progetto continua; il team ESS DEMAX ha offerto fosfolipidi deuterati nel suo primo invito a presentare proposte, rilasciato all'inizio di quest'anno.

Nonostante le sfide, però, ci sono alcuni grandi vantaggi nell'usare gli enzimi. Sono molto selettivi, non chimicamente tossico, riutilizzabili e il numero di passaggi necessari in un processo di sintesi è ridotto.

Il lavoro svolto per SINE2020 ha stabilito una metodologia di catalisi enzimatica, non solo per queste molecole, ma uno che dovrebbe essere compatibile con un gran numero di altri substrati e reazioni enzimatiche. Ciò contribuirà ad ampliare l'accesso degli utenti a una vasta gamma di piccole molecole deuterate di alto valore con applicazioni di diffusione di neutroni.