Un team di ricercatori pionieristici del Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) ha fatto un significativo passo avanti nel complesso mondo della chimica molecolare.

Il loro obiettivo? Azaareni, pezzi unici di un puzzle molecolare cruciali per molti prodotti di uso quotidiano, dai prodotti agrochimici ecologici ai medicinali essenziali. Il team CABBI ha dimostrato un modo innovativo per modificare queste molecole, una scoperta rivoluzionaria che promette nuove reazioni chimiche rilevanti a livello industriale e soluzioni energetiche sostenibili.

Al centro della loro ricerca c’è l’uso di sistemi fotoenzimatici. In termini più semplici, è come potenziare i minuscoli lavoratori della natura, gli enzimi, con una torcia, consentendo loro di assemblare o riparare strutture molecolari in modi senza precedenti. Sfruttando il potere della luce, questi scienziati hanno portato alla luce nuove reazioni chimiche che in precedenza si riteneva irraggiungibili.

Lo studio, pubblicato su Nature Chemistry , è stato condotto da ricercatori dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign.

Gli autori principali sono Huimin Zhao, leader del tema di conversione del CABBI, professore di ingegneria chimica e biomolecolare (ChBE), leader del tema di progettazione di biosistemi del Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB) e direttore del NSF Molecule Maker Lab Institute dell'Illinois.; e Maolin Li, un ricercatore associato post-dottorato presso CABBI, ChBE e IGB.

Gli azaareni, apparentemente minuscoli nel vasto universo della chimica, svolgono tuttavia un ruolo monumentale. Sono gli elementi costitutivi di una miriade di composti, che influenzano anche il DNA nelle nostre cellule. Ma la sfida è sempre stata la loro manipolazione.

Grazie allo sviluppo da parte del team di un sistema ene-reduttasi, un kit di strumenti molecolari specializzati che utilizza l'enzima ene-reduttasi che il laboratorio di Zhao ha utilizzato in studi precedenti, i ricercatori hanno trovato un modo per modificare in modo complesso queste molecole senza danni collaterali.

Uno dei risultati più importanti del loro lavoro è la padronanza del trasferimento enantioselettivo dell'atomo di idrogeno. Le molecole sono spesso disponibili in versioni per mancini e destrimani, o enantiomeri, proprio come i guanti. Il metodo del team consente loro di individuare e adattare selettivamente entrambe le versioni con una precisione senza precedenti. Inoltre, attraverso il controllo stereo remoto potevano effettuare regolazioni precise a distanza.

Per CABBI e il settore della bioenergia, questa scoperta rappresenta un punto di svolta. I biocarburanti e i bioprodotti – energia e prodotti derivati ​​da materiale vegetale anziché da risorse non rinnovabili come il petrolio – rappresentano un futuro più verde e sostenibile. La ricerca del team ha ampliato la gamma di reazioni chimiche e bioprodotti che possono essere realizzati in modo efficiente.

Lo studio ha inoltre introdotto il concetto di fotocatalisi asimmetrica, una tecnica rivoluzionaria che garantisce coerenza in queste reazioni. Ciò può aprire nuove strade per la produzione di biocarburanti e bioprodotti da una gamma più ampia di materie prime per biomassa, il che è direttamente in linea con gli obiettivi di CABBI e con la più ampia missione del DOE di promuovere soluzioni energetiche e di prodotti sostenibili.

"Con il nostro nuovo approccio agli azaareni e l'uso del trasferimento enzimatico dell'atomo di idrogeno, non stiamo solo ampliando i confini della chimica", ha affermato Zhao. "Stiamo gettando le basi per un futuro più sostenibile e innovativo. La nostra ricerca ha ampliato gli strumenti disponibili per una produzione ecocompatibile e ha il potenziale per catalizzare scoperte nel campo dei prodotti chimici per l'agricoltura e non solo."

Al di là del laboratorio, il potenziale per le applicazioni nel mondo reale è immenso, dal guidare l’energia sostenibile alla guida di prodotti chimici agricoli più sicuri. I progressi nel campo della bioenergia e dei bioprodotti possono portare alla crescita economica, con nuove industrie, posti di lavoro e prodotti per i consumatori e fonti energetiche potenzialmente più convenienti. Promuovendo metodi di produzione sostenibili ed efficienti, la ricerca può ridurre l'inquinamento e il degrado ambientale, con conseguente aria e acqua più pulite per le comunità.

Mentre il mondo è alle prese con le sfide ambientali e con la pressante necessità di soluzioni sostenibili, scoperte come queste illuminano la strada da seguire, ha affermato Li.

"Come ricercatore post-dottorato su questo progetto, sono stato profondamente immerso nelle complessità degli azaareni e nel loro potenziale. Svelare le sfide del controllo stereo remoto e testimoniare le possibilità di trasformazione delle nostre scoperte è stato davvero esaltante. Questa ricerca non è solo sulle sfumature delle reazioni chimiche; riguarda il futuro dell'energia sostenibile e altro ancora. Sono entusiasta di vedere dove ci porterà questo viaggio", ha affermato Li.

Ulteriori informazioni: Li, M. et al, Stereocontrollo remoto con azaareni tramite trasferimento enzimatico di atomi di idrogeno, Chimica naturale (2023). DOI:10.1038/s41557-023-01368-x. www.nature.com/articles/s41557-023-01368-x

Informazioni sul giornale: Chimica della Natura

Fornito dall'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign