I ricercatori dell'UC Santa Barbara stanno sviluppando il repertorio delle reazioni chimiche, utilizzando la luce. In un articolo pubblicato sulla rivista Nature , il professore di chimica Yang Yang e i suoi collaboratori dell'Università di Pittsburgh riferiscono di un metodo che utilizza la fotobiocatalisi per produrre amminoacidi non canonici (non presenti in natura) che sono preziosi elementi costitutivi di terapie peptidiche, prodotti naturali bioattivi e nuove proteine funzionali.
"Sono stati compiuti così tanti sforzi nel campo della biocatalisi e ora siamo a un punto in cui possiamo progettare razionalmente reazioni enzimatiche completamente nuove che non hanno precedenti né in chimica né in biologia", ha affermato Yang.
La maggior parte degli sforzi nel campo della biocatalisi, o dell’accelerazione delle reazioni chimiche tramite enzimi, i catalizzatori privilegiati della natura, si sono rivolti all’ottimizzazione delle funzioni degli enzimi naturali utili alla chimica di sintesi o al riutilizzo degli enzimi naturali per facilitare reazioni innaturali note alla chimica di sintesi. Nonostante un decennio di ricerche approfondite, esistono solo pochi esempi di reazioni enzimatiche che sono nuove sia per la natura che per la chimica sintetica.
"Ciò che ci interessa è essenzialmente scoprire reazioni enzimatiche e modalità generali di catalisi enzimatica completamente nuove", ha aggiunto Yang.
Entra la fotobiocatalisi, in cui la luce viene utilizzata per eccitare gli enzimi a generare energia (spesso sotto forma di radicali liberi) per convertire una molecola in un'altra. Un campo relativamente giovane della chimica, la fotobiocatalisi sfrutta la selettività e l'efficienza degli enzimi e la combina con la versatilità e la sostenibilità della luce per creare nuovi processi e, in questo caso, amminoacidi non canonici.
Per questo studio, il gruppo di ricerca si è concentrato sugli enzimi dipendenti dal piridossal-fosfato (PLP), una vasta famiglia di enzimi responsabili del metabolismo degli aminoacidi. Il team ha sviluppato un triplo ciclo catalitico interagente in cui un fotocatalizzatore, un composto a base di iridio, viene esposto alla luce, avviando un processo che genera un radicale libero transitorio, mentre un secondo ciclo che utilizza la luce rigenera il fotocatalizzatore.
Allo stesso tempo, il ciclo di biocatalisi che utilizza un enzima PLP modifica il substrato amminoacidico attraverso una serie di passaggi di attivazione unici della biochimica PLP. Qui entra in gioco il radicale libero generato dalla fotochimica, che entra nel sito attivo dell’enzima e coinvolge l’intermedio enzimatico per consentire una nuova chimica. Questa cooperazione tra l'enzima e il fotocatalizzatore consente la produzione di un prodotto aminoacidico non canonico.
L’alterazione, in questo caso, delle strutture molecolari degli amminoacidi comuni aggiunge nuove caratteristiche e capacità a questi acidi. Creando un nuovo legame carbonio-carbonio con il critico “carbonio alfa” dell’amminoacido, ha affermato Yang, diventa possibile utilizzare questa “spina dorsale” per progettare una gamma di nuovi amminoacidi che potrebbero a loro volta svolgere funzioni nuove, uniche e funzioni desiderabili come base per nuove terapie e prodotti naturali.
"Questa è la prima dimostrazione della biocatalisi piridossica tramite funzionalizzazione alfa mediata dai radicali di abbondanti substrati di amminoacidi", ha sottolineato Yang.
Inoltre, il processo altamente efficiente è sia stereoselettivo, nel senso che può selezionare una "forma" tridimensionale preferita dell'amminoacido risultante, sia elimina i passaggi aggiuntivi di aggiunta e rimozione di "gruppi protettivi" o composti che mascherano alcuni reattivi. aree sulle molecole per prevenire reazioni chimiche indesiderate in quelle regioni.
"Abbiamo scoperto interessanti interazioni tra il fotocatalizzatore e l'enzima", ha detto Yang, il cui gruppo sta studiando come migliorare ulteriormente le interazioni tra i due catalizzatori. "Penso che questo porterà a una nuova scienza fondamentale, sia dal punto di vista della chimica sintetica che da quello dell'enzimologia."
