Gli enzimi sono molecole proteiche che catalizzano le reazioni chimiche negli organismi viventi. Sono altamente selettivi ed efficienti e consentono il verificarsi di reazioni complesse in condizioni di reazione blande. Tuttavia, la portata del substrato degli enzimi è spesso limitata, il che significa che possono catalizzare solo una gamma ristretta di reazioni.
"L'ampliamento del repertorio catalitico degli enzimi è un obiettivo di lunga data in chimica e biotecnologia", afferma Tobias Erb, professore di biologia chimica e genetica alla JGU. “Ciò ci consentirebbe di utilizzare gli enzimi per una gamma più ampia di reazioni sintetiche e potenzialmente di sviluppare nuovi processi biocatalitici per la produzione di prodotti farmaceutici e altri prodotti della chimica fine”.
Un modo per espandere la portata dei substrati degli enzimi è ingegnerizzarli introducendo mutazioni o modifiche chimiche. Tuttavia, questo approccio è spesso noioso e dispendioso in termini di tempo e può essere difficile prevedere quali modifiche porteranno all’attività catalitica desiderata.
"Volevamo sviluppare una strategia più generale che ci permettesse di ampliare la gamma catalitica degli enzimi in modo razionale ed efficiente", spiega Christopher Gregg, ricercatore post-dottorato nel gruppo di Erb. "Siamo stati ispirati dal fatto che molti enzimi contengono ioni metallici essenziali per la loro attività catalitica."
I ricercatori hanno ipotizzato che introducendo un sito di legame metallico in un'impalcatura enzimatica esistente, si potrebbe creare un metalloenzima artificiale con una nuova attività catalitica. Per verificare questa ipotesi, hanno fuso un sito di legame dello zinco progettato razionalmente con un'impalcatura enzimatica derivata dall'enzima corismato mutasi.
"Siamo stati lieti di scoprire che la proteina di fusione mostrava una promiscuità catalitica senza precedenti", afferma Gregg. "È stato in grado di catalizzare la cicloaddizione delle aziridine con l'anidride carbonica per produrre ossazolidinoni, una reazione che finora non è stata osservata in natura."
I ricercatori ritengono che la loro strategia possa essere utilizzata per ampliare la gamma catalitica anche di altri enzimi. "Attualmente stiamo lavorando per espandere la portata del nostro metalloenzima artificiale ad altri tipi di reazioni", afferma Erb. "Stiamo anche esplorando l'uso di altri ioni metallici e scaffold enzimatici."
Lo studio, pubblicato su Nature Chemistry il 20 febbraio 2023, apre nuove possibilità per la progettazione di processi biocatalitici. Ampliando la gamma catalitica degli enzimi, potrebbe essere possibile sviluppare metodi più efficienti e rispettosi dell'ambiente per la produzione di una varietà di sostanze chimiche.
