I ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer PSI hanno caratterizzato per la prima volta con precisione l'enzima stirene ossido isomerasi, che può essere utilizzato per produrre preziose sostanze chimiche e precursori di farmaci nel rispetto dell'ambiente. Lo studio appare sulla rivista Nature Chemistry .
Gli enzimi sono potenti biomolecole che possono essere utilizzate per produrre molte sostanze in condizioni ambientali. Permettono la chimica "verde", che riduce l'inquinamento ambientale derivante dai processi utilizzati nella chimica di sintesi. Uno di questi mezzi naturali è stato ora caratterizzato dettagliatamente dai ricercatori del PSI:l'enzima stirene ossido isomerasi. È la versione biologica della reazione di Meinwald, un'importante reazione chimica nella chimica organica.
"L'enzima, scoperto decenni fa, è prodotto dai batteri", afferma Richard Kammerer del Laboratorio di ricerca biomolecolare del PSI. Il suo collega Xiaodan Li aggiunge:"Ma poiché il suo funzionamento non era noto, la sua applicazione pratica è stata finora limitata". I due ricercatori e il loro team hanno chiarito la struttura dell'enzima e il modo in cui funziona.
I microrganismi possiedono enzimi specifici con i quali possono, ad esempio, scomporre le sostanze nocive e utilizzarle come sostanze nutritive. La stirene ossido isomerasi è una di queste. Insieme ad altri due enzimi, consente ad alcuni batteri ambientali di crescere sullo stirene idrocarburo.
La stirene ossido isomerasi catalizza una fase molto specifica della reazione:divide nell'ossido di stirene un anello a tre membri costituito da un atomo di ossigeno e due di carbonio, un cosiddetto epossido. Pertanto l'enzima è altamente specifico e crea un solo prodotto. È anche in grado di convertire una serie di sostanze aggiuntive, producendo importanti precursori per applicazioni mediche.
Un vantaggio particolare è dovuto al fatto che in molte reazioni chimiche si formano sia un'immagine che un'immagine speculare di un composto chimico, che possono avere effetti biologici completamente diversi. Ma questo enzima crea specificamente solo uno dei due prodotti. In chimica questa proprietà è chiamata stereospecificità ed è particolarmente importante per la generazione di molecole precursori per i farmaci.
"L'enzima è un esempio impressionante di come la natura renda possibili le reazioni chimiche in modo semplice e ingegnoso", afferma Li.
Nel corso delle loro indagini, svolte in parte presso la Swiss Light Source SLS, i ricercatori del PSI hanno scoperto il segreto dell'enzima:al suo interno si trova un gruppo contenente ferro, simile al pigmento contenente ferro nei nostri globuli rossi. Questo gruppo eme lega l'anello epossidico ed è così che rende la reazione così semplice ed efficiente.
Altre parti delle indagini sono state effettuate dal gruppo di Volodymyr Korkhov, anche lui del Laboratorio di ricerca biomolecolare del PSI e professore associato presso il Dipartimento di biologia dell'ETH di Zurigo, utilizzando la microscopia crioelettronica.
Li e Kammerer sono certi che l'enzima si rivelerà estremamente utile nell'industria chimica e farmaceutica. "Finora è l'unico enzima batterico noto in grado di catalizzare la reazione di Meinwald", sottolinea Kammerer. Con l'aiuto dell'enzima, l'industria potrebbe produrre precursori per farmaci e importanti sostanze chimiche in condizioni di risparmio energetico e rispettose dell'ambiente.
Li aggiunge:"L'enzima potrebbe essere potenzialmente modificato in modo da poter produrre un gran numero di nuove sostanze."
Inoltre, l'enzima è molto stabile e quindi è adatto per applicazioni industriali su larga scala.
"Diventerà sicuramente un nuovo, importante strumento per l'economia circolare e la chimica verde", sono convinti i ricercatori del PSI.
Ulteriori informazioni: Basi strutturali del riarrangiamento di Meinwald catalizzato dalla stirene ossido isomerasi, Chimica della Natura (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01523-y
Informazioni sul giornale: Chimica della Natura
Fornito dall'Istituto Paul Scherrer
