Gli enzimi sono le centrali elettriche della natura. Trovato nelle cellule di tutti gli animali, impianti, e ogni altro organismo vivente, accelerano le reazioni chimiche che attivano migliaia di funzioni biologiche, dalla formazione di neuroni alla digestione del cibo.

Svolgono il loro lavoro in modo così selettivo e così rapido - milioni di volte più velocemente di un battito di ciglia - che il campo della chimica biomimetica è emerso negli ultimi decenni con l'obiettivo di progettare enzimi artificiali in grado di imitare i poteri degli enzimi naturali in ambienti industriali. Gli enzimi artificiali potrebbero, Per esempio, convertire il mais in etanolo o contribuire a creare nuovi farmaci più rapidamente, a buon mercato, ed efficacemente.

Avvicinandosi di un passo al raggiungimento di tale obiettivo, Rajeev Prabhakar, un chimico computazionale presso l'Università di Miami, e i suoi collaboratori all'Università del Michigan hanno creato un romanzo, sintetico, molecola a tre filamenti che funziona proprio come un metalloenzima naturale, o un enzima che contiene ioni metallici.

"Non era chiaro che potessero essere fatti, ma li abbiamo fatti. E, poi li abbiamo usati per catalizzare con successo le reazioni, " disse Prabhakar, un professore di chimica che studia le reazioni enzimatiche nella speranza di progettare i loro analoghi artificiali. "Questo è un passo incrementale ma importante nello sviluppo di enzimi artificiali, che è stato a lungo considerato il Santo Graal della chimica. Sfortunatamente, tanto quanto gli enzimi naturali funzionano nel nostro corpo e in altre forme di vita, non tollerano molto bene altre impostazioni. Sono anche molto costosi e non facili da preparare e purificare".

Per il loro studio innovativo pubblicato in Chimica della natura questa settimana, Prabhakar e lo studente laureato Vindi M. Jayasinghe-Arachchige hanno unito le forze con Vincent L. Pecoraro, un professore di chimica dell'Università del Michigan, per migliorare le prestazioni degli enzimi artificiali pionieristici del laboratorio di Pecoraro negli anni. I ricercatori del Michigan avevano precedentemente creato metalloenzimi sintetici più semplici che hanno catalizzato con successo una serie di reazioni chimiche. Ma quelle macromolecole artificiali sono state progettate con tre identici, o fili "omotrimerici" simmetrici, quale, Prabhakar ha detto, limitato le loro capacità catalitiche.

Nella nuova molecola, che Jayasinghe-Arachchige ha progettato sul supercomputer dell'Università di Miami con la guida di Prabhakar, il terzo filamento differisce nella struttura dagli altri due filamenti. I suoi calcoli di meccanica quantistica hanno mostrato che il più complesso, non simmetrico, struttura a tre fili, nota come bobina "eterotrimerica", ha ampliato le prestazioni catalitiche dei metalloenzimi artificiali omotrimerici, una scoperta che Pecoraro e il suo team hanno confermato con esperimenti nel suo laboratorio del Michigan.

"Le nostre tecniche sono diverse, ma gratuito, " disse Prabhakar. "Quello che facciamo il gruppo Pecoraro non può farlo, e cosa fanno, non possiamo fare. Modelliamo molecole al computer in modo da poter prevedere le loro proprietà strutturali e il meccanismo della loro formazione. Usano i nostri modelli per costruire la cosa reale, e in questo caso questo è il primo esempio di una molecola eterotrimerica naturale."

La maggior parte dei profani probabilmente troverebbe lo studio incomprensibile come il suo titolo:"Bobine a spirale eteromeriche a tre fili progettate utilizzando una strategia mediata da un modello Pb (II) (Cys) 3". Ma la linea di fondo, Prabhakar ha detto, è che la ricerca collaborativa condotta a Miami e nel Michigan apre le porte a una nuova strategia per ottenere la creazione di enzimi artificiali che funzionino come gli enzimi naturali.

Oltre a Pecocaro, Prabhakar, e Jayasinghe-Arachchige, altri coautori dello studio includono l'ex studente laureato di Prabhakar, Thomas J. Paul, ora all'Università del Michigan; Audrey E.Tolbert, Caterina S. Ervin, e Kosh P. Neupane, anche dall'Università del Michigan; e Leela Ruckthong, dalla King Mongkut's University of Technology, in Thailandia.

Ora nel suo ultimo anno di studio per il suo dottorato in chimica, Jayasinghe-Arachchige ha affermato di rimanere affascinata dai progressi nelle tecniche di chimica computazionale che le hanno permesso di modellare le strutture chimiche e le reazioni della nuova molecola.

"Sono entusiasta che le nostre scoperte creeranno nuove strade verso lo sviluppo di enzimi artificiali efficienti che possono essere utilizzati per migliorare la qualità della vita, '' ha detto Jayasinghe-Arachchige, "e come donna in un campo in cui le donne sono sottorappresentate, Spero che questo studio motiverà le donne ad unirsi all'affascinante mondo dei campi STEM".