La progettazione di enzimi per eseguire reazioni che non si trovano in natura può affrontare sfide di lunga data nel mondo della chimica sintetica, come l'aggiornamento degli oli vegetali in utili sostanze biochimiche.

Un team di ricercatori ha sviluppato una strategia semplice ma potente per creare nuovi enzimi con una nuova reattività in grado di produrre preziosi composti chimici, basandosi sul loro lavoro precedente utilizzando la luce per riutilizzare gli enzimi naturali.

Lo studio, pubblicato su Nature Catalysis, è stato guidato da Xiaoqiang Huang, un ex ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare (ChBE) dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign e dal Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI), un centro di ricerca sulla bioenergia finanziato dal Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti . Huang, attualmente Assistant Professor presso l'Università di Nanchino in Cina, ha svolto questo lavoro nel laboratorio del Professor ChBE Huimin Zhao, Conversion Theme Leader di CABBI e affiliato del Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB).

Nello studio, la luce visibile è stata utilizzata per eccitare un enzima chetoreduttasi ingegnerizzato, consentendo una reazione biocatalitica nuova per la natura nota come addizione coniugata radicale asimmetrica, estremamente difficile da ottenere mediante catalisi chimica.

I catalizzatori sono sostanze utilizzate per accelerare le reazioni chimiche. Negli organismi viventi, le molecole proteiche chiamate enzimi catalizzano le reazioni in un processo chiamato biocatalisi. Gli scienziati hanno iniziato a utilizzare la biocatalisi per sintetizzare composti preziosi, poiché la sua elevata selettività consente loro di distribuire enzimi per agire su substrati specifici e creare prodotti target. Un altro vantaggio è che le reazioni enzimatiche sono altamente sostenibili. Sono relativamente economici, consumano bassi livelli di energia e provocano danni minimi all'ambiente, al contrario dei catalizzatori chimici, che in genere richiedono solventi organici, calore e alta pressione per funzionare.

Tuttavia, gli enzimi sono complicati con cui lavorare. Normalmente si limitano a catalizzare le reazioni che si trovano in natura, il che significa che gli scienziati spesso lottano per trovare il biocatalizzatore perfetto per soddisfare le loro esigenze. Il laboratorio di Zhao si è concentrato sulla guida della biocatalisi con la luce visibile, un processo noto come "fotobiocatalisi", per produrre una nuova reattività enzimatica. In uno studio precedente, Zhao e Huang hanno sviluppato una reazione indotta dalla luce visibile utilizzando un enzima chiamato ene-reduttasi (ER) come biocatalizzatore per produrre rese elevate di preziosi composti carbonilici chirali, che hanno potenziali applicazioni per la produzione di sostanze chimiche di alto valore.

Il nuovo studio si basa su quel lavoro, utilizzando la fotobiocatalisi su una diversa famiglia di enzimi - le chetoreduttasi dipendenti dalla nicotamide prodotte dai batteri - e un diverso meccanismo chimico per produrre un altro tipo di composti carbonilici chirali noti come esteri α-chirali. Attraverso l'illuminazione e l'evoluzione della chetoreduttasi, il team ha ottenuto un'aggiunta biocatalitica enantioselettiva di coniugato radicale di tipo Giese per trasformare gli acidi grassi in esteri α-chirali, ha affermato Zhao.

L'enantioselettività è il grado in cui un enantiomero, uno di una coppia di molecole che sono immagini speculari l'una dell'altra, viene prodotto preferenzialmente in una reazione chimica. La chiralità è una caratteristica fondamentale dei composti organici, che influenza notevolmente le proprietà delle molecole e le sue implicazioni sono enormi in molte aree, tra cui la biologia, la medicina e la scienza dei materiali. Ad esempio, la diversa stereochimica delle molecole organiche (la disposizione spaziale degli atomi e il suo effetto sulle reazioni chimiche) non solo migliora significativamente la ricchezza del mondo biologico, ma svolge anche un ruolo profondo in molte attività biologiche come la comunicazione molecolare, ha affermato .

I risultati offrono applicazioni pratiche per il lavoro di CABBI per lo sviluppo di biocarburanti e prodotti biochimici da colture come miscanto, sorgo e canna da zucchero invece del petrolio. La nuova trasformazione biocatalitica potrebbe utilizzare gli acidi grassi che CABBI sta generando da quelle piante come materiali di partenza per sintetizzare bioprodotti a valore aggiunto, come ingredienti per saponi o prodotti per la cura della pelle, in modo ecologico.

"Sebbene non abbiamo mirato a un prodotto specifico per ulteriori applicazioni, questo lavoro fornisce un nuovo metodo pratico che potrebbe essere potenzialmente applicato all'aggiornamento degli acidi grassi", ha affermato Zhao. "Gli enzimi sono i cavalli di battaglia per la sintesi biologica di combustibili e sostanze chimiche da biomasse rinnovabili.

"Uno dei principali cambiamenti scientifici nella ricerca sulla conversione di CABBI, o nella ricerca sulla bioenergia in generale, è la mancanza di enzimi conosciuti con l'attività desiderata e la specificità del substrato per la sintesi di combustibili target e sostanze chimiche. Pertanto, è urgente sviluppare nuovi strategie per scoprire o progettare enzimi con attività o reattività desiderate". + Esplora ulteriormente

I ricercatori fanno luce sulla nuova reazione enzimatica