Gli enzimi sono i driver centrali per i processi metabolici biochimici in ogni cellula vivente, permettere che le reazioni avvengano in modo efficiente. È questa capacità che li rende utili come catalizzatori nelle biotecnologie, Per esempio, per creare prodotti chimici come i prodotti farmaceutici. Un argomento attualmente ampiamente discusso è la catalisi fotoindotta, in cui i ricercatori sfruttano la capacità di avviare reazioni biochimiche usando la luce. Questo processo richiede enzimi che possono essere attivati ​​per mezzo della luce. Non è, però, una semplice questione di incorporare i pochi enzimi naturali attivabili con la luce nei processi biotecnologici, poiché sono altamente specializzati e difficili da manipolare.

Ricercatori delle Università di Münster (Germania) e Pavia (Italia) hanno ora identificato un enzima che diventa cataliticamente attivo quando esposto alla luce blu e che innesca immediatamente una reazione finora sconosciuta in enzimatica. La reazione in questione è una speciale reazione di monoossigenasi, in cui un atomo di ossigeno viene trasferito al substrato. La reazione è supportata da una molecola helper che fornisce due elettroni gradualmente. In precedenza, si era ipotizzato che una tale reazione dipendente dalla luce non potesse verificarsi negli enzimi.

"L'enzima che abbiamo identificato appartiene a una famiglia molto ampia di enzimi, ed è realistico presumere che altri enzimi che possono essere attivati ​​dalla luce possano essere prodotti mediante manipolazione genetica e utilizzati in una gamma molto ampia di applicazioni, " dice il dottor Steffen L. Drees, che ha guidato lo studio e lavora presso l'Istituto di microbiologia molecolare e biotecnologia dell'Università di Münster. Una possibile applicazione, Per esempio, è la produzione di farmaci attivati ​​per mezzo della luce. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Nel loro studio, i ricercatori hanno studiato l'enzima PqsL, che si trova nel patogeno opportunista Pseudomonas aeruginosa e, in origine non era dipendente dalla luce. I ricercatori hanno stimolato l'enzima con la luce blu e hanno analizzato la reazione utilizzando una combinazione di tecniche spettroscopiche e cristallografiche risolte nel tempo.

L'enzima appartiene alla famiglia delle flavoproteine, e tipicamente per questa famiglia di proteine, utilizza un derivato della vitamina B2 come cosiddetto cofattore per catalizzare l'incorporazione di ossigeno nelle molecole organiche. Il cosubstrato NADH (nicotinammide adenina dinucleotide ridotto) è necessario come "molecola di supporto" per la reazione enzimatica, fornendo gli elettroni necessari. Il meccanismo di reazione osservato dai ricercatori nel loro studio era precedentemente sconosciuto. Attivato dall'esposizione alla luce nel complesso flavina-NADH, NADH trasferisce un singolo elettrone alla flavina legata alle proteine. In questo modo, viene creato un radicale flavino:si tratta di una molecola altamente reattiva caratterizzata da un elettrone spaiato. Utilizzando la spettroscopia risolta nel tempo, i ricercatori sono stati in grado di osservare come la molecola si è formata e ha cambiato il suo stato.

Il radicale flavino ha un potenziale redox molto negativo, il che significa che ha una grande capacità di trasferire elettroni ai partner di reazione. "A causa di questa proprietà, assumiamo che il radicale flavino possa anche consentire lo svolgimento di ulteriori reazioni, che amplierebbe il potenziale catalitico di questo enzima, così come di altri enzimi, forse, " afferma il capogruppo Prof. Susanne Fetzner.

L'enzima identificato è l'unico finora che non è naturalmente fotoattivo, e svolge una reazione indipendente dalla luce nella cellula batterica. "La struttura tridimensionale dell'enzima mostra che il cofattore flavina rivolto verso l'esterno potrebbe essere la chiave per la fotoattivazione, "dice Simon Ernst, primo autore dello studio.

Gli enzimi fotoattivi consentono un gran numero di applicazioni, ad esempio, catalisi a più fasi in una reazione a un vaso o catalisi risolta spazialmente, Per esempio, per funzionalizzare le superfici in determinati modelli. Possono anche essere utili per la cosiddetta attivazione del profarmaco nel corpo o sulla pelle:questo è un processo in cui una sostanza farmacologica diventa attiva solo dopo la metabolizzazione nell'organismo.