Ny forskning från University of Michigan Life Sciences Institute bygger en bro från naturens kemi till grönare, mer effektiv syntetisk kemi.

Forskare i Alison Narayans laboratorium analyserade biokatalysatorer som utvecklats av naturen för deras effektivitet i en mängd olika syntetiska kemiska reaktioner. Resultaten, planerad för publicering 13 november Naturkemi , öppna dörren till lovande metoder för kemister, pekar på inte bara mer effektiva utan mer kraftfulla verktyg för kemister.

Forskarna började med mikroorganismer som har, under årtusenden, utvecklat komplexa kemiska reaktioner för att skapa molekyler med viktig biologisk aktivitet för olika ändamål, såsom försvarsmekanismer. Forskarna analyserade sedan de kemiska vägar som ger upphov till dessa potentiellt användbara molekyler för att avgöra hur de kan återanvändas för att skapa föreningar syntetiskt i laboratoriet.

"Naturen har utvecklat katalytiska verktyg som skulle göra det möjligt för kemister att bygga molekyler som vi inte enkelt kan bygga bara med traditionell kemi, "sade Narayan, senior studieförfattare och biträdande professor vid LSI, där hennes labb ligger. "Vårt arbete överbryggar de två världarna av biosyntes och syntetisk kemi."

Att bygga komplex, bioaktiva molekyler - liksom molekylerna som gör det möjligt för läkemedel att hitta rätt biologiska mål i våra kroppar - syntetiska kemister använder ofta en process som kallas oxidativ dearomatisering. Denna process omvandlar platta molekyler till tredimensionella strukturer som är mer reaktiva. Men traditionella oxidativa dearomatiseringsmetoder har flera brister.

Eftersom de kräver användning av ett kemiskt reagens för att omvandla utgångsmaterialet till önskad slutprodukt, själva reaktionerna är ganska slöseri. Dessutom, reagensen visar dålig selektivitet vid transformationen, vilket resulterar i en blandning av föreningar som innehåller flera onödiga, och ibland skadligt, varianter av den önskade produktmolekylen.

"Det är inte en mycket effektiv process, "sade Narayan, som också är biträdande professor i kemi vid UM College of Literature, Vetenskap, och konsten. "Du kan sluta med olika strukturer när du verkligen bara vill ha den här specifika strukturen - och du genererar mycket avfall i processen."

I denna senaste studie, Narayan -labbet visade att enzymkatalysatorer har potential att lösa dessa problem.

Enzymer är effektiva katalysatorer, generera många produktmolekyler från en enda molekyl av katalysatorn, vilket leder till mindre avfall. Och Narayans laboratorium fann att katalysatorerna utför reaktionerna med förbättrad selektivitet - vilket innebär att reaktionerna endast producerar den önskade molekylstrukturen.

Dessa enzymer har ännu inte använts allmänt av kemister eftersom deras övergripande användbarhet och robusthet för kemi inte har visats, Sa Narayan.

"Det arbete som utförs inom biosyntes fokuserar främst på att förstå hur molekyler skapas i naturen och identifiera den enda reaktion som ett enzym gör i sitt naturliga sammanhang, "sa hon." Vi måste ta reda på hur ett enzym är användbart inom syntetisk kemi - vad kan det göra, vilka typer av molekyler det fungerar med - så att kemister bara kan gå till litteraturen och se hur de kan använda det här verktyget. "

Narayans forskningsprogram börjar minska klyftan mellan dessa två områden genom att testa enzymer inte bara för deras naturliga roller, men för de roller de kunde spela i en mängd olika reaktioner. Labbet har också utvecklat metoder för att göra dessa enzymer enkla att hantera i bulk och dela med andra kemister.

"Vi visar att dessa enzymer kan mer än den specifika uppgift de utvecklats för att göra i naturen, "sade doktoranden Summer Baker Dockrey, huvudstudieförfattaren. "De kan vara överraskande generaliserbara och kan visa sig vara mycket selektiva verktyg."

Labbet arbetar nu med att konstruera dessa enzymer för att utföra fler reaktioner.

"Vi börjar verkligen bygga nya bibliotek, effektiv, kraftfulla verktyg för kemister, "Sa Narayan.