I chimici di Scripps Research hanno creato in modo efficiente tre famiglie di complessi, molecole contenenti ossigeno normalmente ottenibili solo dalle piante.

Queste molecole, chiamati terpeni, sono potenziali punti di partenza per nuovi farmaci e altri prodotti di alto valore, segnando un importante sviluppo per molteplici settori. Inoltre, il nuovo approccio potrebbe consentire ai chimici di costruire molte altre classi di composti.

L'impresa chimica è dettagliata nell'edizione del 13 agosto della rivista Scienza .

La chiave di questo nuovo metodo di produzione delle molecole è l'imbrigliamento, o dirottamento, di enzimi naturali, dai batteri, in questo caso, per assistere in complesse trasformazioni chimiche che sono state impraticabili o impossibili con le sole tecniche di chimica sintetica, afferma il ricercatore principale Hans Renata, dottorato di ricerca, un assistente professore presso il Dipartimento di Chimica presso Scripps Research.

Gli enzimi naturali che aiutano a costruire molecole nelle cellule di solito svolgono solo uno o due compiti altamente specifici. Ma il team di Scripps Research ha dimostrato che gli enzimi naturali, anche senza modifiche, può essere fatto per eseguire una gamma più ampia di compiti.

"Pensiamo che in generale, gli enzimi sono una risorsa per lo più non sfruttata per risolvere problemi di sintesi chimica, " Dice Renata. "Gli enzimi tendono ad avere un certo grado di attività promiscua, in termini di capacità di stimolare reazioni chimiche al di là del loro compito primario, e siamo stati in grado di approfittarne qui".

Attingere ai talenti nascosti degli enzimi

Gli enzimi aiutano a costruire molecole in tutte le piante, specie animali e microbiche. Ispirati dalla loro efficienza nella costruzione di molecole altamente complesse, i chimici da più di mezzo secolo hanno usato enzimi in laboratorio per aiutare a costruire composti preziosi, compresi i composti farmaceutici, ma di solito questi composti sono le stesse molecole che gli enzimi aiutano a costruire in natura.

Sfruttare gli enzimi naturali in modo più ampio, secondo la loro attività biochimica di base, è una nuova strategia con un vasto potenziale.

"La nostra opinione ora è che ogni volta che vogliamo sintetizzare una molecola complessa, la soluzione probabilmente esiste già tra gli enzimi della natura:dobbiamo solo sapere come trovare gli enzimi che funzioneranno, ", afferma l'autore senior Ben Shen, dottorato di ricerca, presidente del Dipartimento di Chimica del campus della Florida e direttore del Natural Products Discovery Center di Scripps Research.

Il team è riuscito a far conoscere la produzione di nove terpeni a Isodon, una famiglia di piante da fiore imparentate con la menta. I composti complessi appartengono a tre famiglie di terpeni con relative strutture chimiche:ent-kauranes, ent-atisani, ed ent-trachilobani. I membri di queste famiglie di terpeni hanno una vasta gamma di attività biologiche inclusa la soppressione dell'infiammazione e la crescita del tumore.

Una ricetta per il successo della sintesi

La sintesi di ogni composto, in meno di 10 passaggi per ciascuno, era un processo ibrido che combinava gli attuali metodi di sintesi organica con la sintesi mediata da enzimi a partire da un composto economico chiamato stevioside, il componente principale del dolcificante artificiale Stevia.

L'ostacolo principale era la sostituzione diretta degli atomi di idrogeno con atomi di ossigeno in uno schema complesso sullo scheletro di atomi di carbonio del composto di partenza. Gli attuali metodi di sintesi organica hanno un arsenale limitato per tali trasformazioni. Però, la natura ha prodotto molti enzimi che possono consentire queste trasformazioni, ciascuno in grado di svolgere la propria funzione con un grado di controllo ineguagliato dai metodi artificiali.

"Essendo un gruppo di ricerca interdisciplinare, eravamo pienamente consapevoli dei limiti degli attuali metodi di sintesi organica, ma anche dei molti modi unici in cui gli enzimi possono superare queste limitazioni e abbiamo avuto le intuizioni per combinare la chimica sintetica tradizionale con i metodi enzimatici in modo sinergico, "dice Renata.

I tre enzimi utilizzati, che sono stati identificati e caratterizzati da Shen, Renata e colleghi solo l'anno scorso, sono prodotti naturalmente da un batterio, uno dei 200, Più di 000 specie nella collezione di ceppi microbici presso il Natural Products Discovery Center di Scripps Research.

"Siamo stati in grado di utilizzare questi enzimi non solo per modificare le molecole di partenza, o impalcature come le chiamiamo noi, ma anche trasformare un'impalcatura in un'altra in modo da poter trasformare un terpene di una famiglia in un terpene di un'altra famiglia, " dice la seconda autrice Emma King-Smith, un dottorato di ricerca studente del laboratorio Renata.

I chimici ora intendono utilizzare il loro nuovo approccio per produrre quantità utili dei nove composti, così come varianti chimiche dei composti, e, con laboratori collaboranti, esplorare le loro proprietà come potenziali farmaci o altri prodotti.

"Con la nostra strategia, possiamo produrre questi diterpeni altamente ossidati molto più facilmente e in quantità maggiori di quanto sarebbe possibile isolandoli dalle piante dove si trovano naturalmente, " dice il primo autore Xiao Zhang, dottorato di ricerca, un associato di ricerca post-dottorato nel laboratorio Renata.

Altrettanto importante, dicono i ricercatori, stanno lavorando per identificare reazioni ed enzimi che permetteranno loro di estendere il loro approccio ad altre classi di molecole.

Al centro di tutti questi sforzi è lo sviluppo continuo di metodi per setacciare il DNA di microbi e altri organismi per identificare gli enzimi che codificano e prevedere le attività di quegli enzimi. Nelle piante esistono miliardi di enzimi distinti, animali, e batteri sulla Terra e solo una piccola parte di essi è stata catalogata fino ad oggi.

"Siamo entusiasti del potenziale della scoperta di enzimi nuovi e utili dalla nostra libreria di ceppi qui a Scripps Research, " dice Renata. "Pensiamo che ci permetterà di risolvere molti altri problemi di sintesi chimica."