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Catalizzatori versatili con nuove caratteristiche e funzioni potrebbero rivoluzionare le strategie sintetiche degli scienziati, aprendo la strada a sostanze chimiche di alto valore e un'industria chimica più ecologica. Alla ricerca di tali catalizzatori, gli scienziati hanno progettato un enzima in grado di accelerare una reazione organica ben nota per la sua velocità di reazione estremamente lenta.
La reazione in questione è chiamata reazione Morita-Baylis-Hillman (MBH), un potente processo utilizzato per formare un legame carbonio-carbonio tra un alchene e un composto elettrofilo come l'aldeide. La reazione MBH crea prodotti che sono utili elementi costitutivi per ulteriori sintesi. Tuttavia, richiede elevati carichi di catalizzatore e ha lunghi tempi di reazione con i catalizzatori esistenti (normalmente catalizzatori a piccole molecole come DABCO e DMAP), impiegando diversi giorni per produrre una quantità utile di prodotto. Pertanto, nonostante la sua utilità nella sintesi organica, questi inconvenienti ne impediscono un uso più diffuso.
"I catalizzatori tipici che usi per questa reazione sono piccoli nucleofili", afferma il Prof. Anthony Green dell'Università di Manchester, Regno Unito, ospite del progetto enzC-Hem, in un articolo pubblicato su "Chemistry World". "Il bello della biologia è che se puoi ingegnerizzare un enzima o progettare una proteina per fare questa reazione, l'accelerazione della velocità è significativa rispetto a qualsiasi cosa sia stata ottenuta con la chimica delle piccole molecole", continua il Prof. Green, che è l'autore senior dello studio pubblicato sulla rivista Nature Chemistry .
Il percorso verso un catalizzatore migliore
Con l'obiettivo di creare il primo biocatalizzatore efficiente e selettivo per la reazione MBH, il team di ricerca ha utilizzato un enzima, BH32, sviluppato alcuni anni prima dal Dr. David Baker e dal suo team presso l'Università di Washington negli Stati Uniti. Come riportato nell'articolo di notizie, mentre il dottor Baker, che è un coautore dello studio attuale, e il suo team sono riusciti a progettare enzimi per la reazione MBH, questi enzimi hanno agito debolmente. "Erano cataliticamente competenti, ma non erano biocatalizzatori vitali", secondo il Prof. Green.
Per creare il nuovo enzima, il gruppo di ricerca guidato dal Prof. Green ha sottoposto l'enzima primitivo BH32 a un processo chiamato evoluzione diretta. Un potente strumento di ingegneria per adattare gli enzimi alle trasformazioni desiderate, l'evoluzione diretta migliora le funzioni delle proteine attraverso ripetuti cicli di mutazione e selezione. Dopo 14 cicli di evoluzione, il team di ricerca è riuscito a progettare un enzima chiamato BH32.14 che è significativamente più veloce ed è anche enantioselettiva.
I risultati hanno mostrato che basse concentrazioni di BH32.14 aggiunte alla reazione MBH possono ottenere rese molto maggiori rispetto a carichi elevati degli attuali catalizzatori a piccole molecole. Inoltre, la reazione richiede solo poche ore, non diversi giorni.
L'enzima di nuova concezione "è uno degli enzimi progettati più complessi applicati alla chimica organica fino ad oggi", riporta l'articolo. Il lavoro supportato da enzC-Hem (Creating Versatile Metallo-Enzyme Environments for Selective CH Activation Chemistry:Lignocellulose Deconstruction and Beyond) mostra che la combinazione di progettazione computazionale ed evoluzione diretta potrebbe portare a nuovi biocatalizzatori per importanti trasformazioni chimiche non presenti in natura. + Esplora ulteriormente
