Princeton-kemister har hittat ett sätt att få ett naturligt förekommande enzym att ta sig an en ny, konstgjord roll, som har betydande konsekvenser för modern kemi, inklusive läkemedelsproduktion. Deras arbete visas i tidskriften Naturkemi .

"Vi har hittat ett helt nytt sätt att få enzymer att göra en icke-naturlig reaktion, " sa Todd Hyster, en biträdande professor i kemi. "Ett traditionellt perspektiv säger att enzymer bara kommer att göra en sak. Den här artikeln visar att detta kanske inte är sant för alla enzymer. Ännu viktigare, strategin som beskrivs i detta dokument kan potentiellt tillämpas på andra enzymfamiljer, vilket innebär att vi kommer att kunna använda detta tillvägagångssätt för att uppfinna helt nya enzymatiska reaktioner. Jag tror att det här har potential att förändra hur vi bygger molekyler."

Enzymer är naturens katalysatorer, nycklarna till att få kritiska biokemiska reaktioner att ske tillräckligt snabbt för att upprätthålla liv. Organiska kemister har utnyttjat detta i över 100 år, men tills nu, deras användning har varit begränsad, eftersom enskilda enzymer ofta bara kan katalysera en enda reaktion.

Nu, forskarna i Hysters labb har tagit bort ett enzym från dess naturliga miljö, lagt till några nya ingredienser, och lyckades få den att katalysera en annan typ av kemisk reaktion – där den presterade förvånansvärt bra.

"Todd avslöjar dolda förmågor i biologins stora repertoar av kemi, några av dem kanske inte är användbara för biologi men kommer att vara mycket användbara för oss, sa Frances Arnold, Linus Pauling professor i kemiteknik, Bioteknik och biokemi vid California Institute of Technology, som inte var involverad i denna forskning.

"Han visar att enzymer kan göra många bedrifter, sa Arnold, som tog examen från Princeton 1979. "Allt du behöver göra är att ställa de rätta frågorna."

Nyckeln var att förenkla deras förståelse av hur ett enzym katalyserar en reaktion, sa Hyster.

"Jag tror att jag alltid är förvånad över att vår förenklade metod för enzymkatalys faktiskt fungerar, " sa Hyster. "Som studenter, vi får lära oss att enzymer är otroligt komplicerade och specifika katalysatorer. ... Varje gång vi upptäcker att de är kapabla att göra något helt nytt som naturen aldrig hade tänkt, det är överraskande och spännande."

I deras reaktion, forskarna tillsatte en liten mängd av ett noggrant utvalt fotoexciterbart färgämne till enzymet och översvämmade det med grönt ljus. Genom att göra så, de sammanförde två vanligtvis icke-relaterade grenar av kemi, noterade Kyle Biegasiewicz, en postdoktorand forskningsassistent i Hysters labb och en av två förstaförfattare på uppsatsen.

"Vi har upptäckt ett otroligt spännande äktenskap av enzymatisk katalys (biokatalys) och fotoredoxkatalys, " sa Biegasiewicz.

Till kemister, att få mer av den reaktion du vill ha och mindre av en reaktion du inte får kallas "selektivitet". Enzymer är mycket mer "selektiva" än de flesta småmolekylära katalysatorer, och denna nya teknik gör det möjligt för forskare att dra nytta av det för sina egna önskade reaktioner. "Betydligt nog, denna nya transformation visar höga nivåer av selektivitet för en klass av reaktioner som tidigare var mycket svåra att kontrollera, sa Hyster.

I huvudsak, deras genombrott möjliggör en ny "plug-and-play"-metod, använda enzymer för att aktivera ny katalytisk reaktivitet, som har många spännande implikationer, sa Biegasiewicz. "Även om jag inte kan ge bort några detaljer om pågående projekt i gruppen, Jag skulle informera syntetiska communityn att hålla sig uppdaterade – det senaste är riktigt coolt!"

Denna nya upptäckt är en annan aspekt av fotokatalysen av synligt ljus som förändrar modern kemi, sa Hyster.

"Katalysområdet har revolutionerats under det senaste decenniet genom utvecklingen av metoder som använder ljus, " sade han. "Princeton har verkligen varit en drivkraft i det här området. Princeton kemiprofessorer [David] MacMillan, [Abigail] Doyle och [Robert] Knowles använder alla ljus för att göra riktigt otroliga saker med småmolekylära katalysatorer. Vi har visat att användbarheten av ljus inte är begränsad till småmolekylära katalysatorer; det kan också utöka de typer av saker vi kan göra med enzymer. Jag tycker det är ganska snyggt."

Idén till denna forskningsväg kom från att följa "brödsmulorna" i tidigare forskning, sa Simon Cooper, en doktorand i Hysters labb och en medförfattare på tidningen. Andra forskare hade visat att exponering för ultraviolett ljus orsakade en betydande förändring i beteendet hos en riklig molekyl, nikotinamidadenindinukleotidfosfat (NADPH), som Hysters team lade till enzymet tillsammans med det ljuskänsliga färgämnet.

"När den utsätts för UV-ljus, NADPH kan byta från att överföra två elektroner och en proton i ett enda steg till att överföra först en elektron och sedan en väteatom (en elektron och en proton), " sa Cooper. "Vi trodde att om vi kunde dra fördel av denna nya väg inuti ett enzym, värdefulla nya reaktioner väntade på upptäckt. ... Den viktigaste aspekten av resultaten i detta dokument är att kontrollera överföringen av en väteatom för att skapa endast en av två möjliga spegelbildsformer av en molekyl. Denna typ av val mellan två spegelbildsformer har traditionellt sett varit mycket svår att uppnå för överföring av en väteatom, och metoderna som beskrivs här är en lösning på denna utmaning."

Cooper tillade:"När vi går vidare på 2000-talet, om en växande världsbefolkning ska uppleva bekvämligheterna med vad vi tar för givet i den utvecklade världen, vi kommer att behöva mer kostnadseffektiva och hållbara former av kemisk katalys för att leverera många av de produkter som är hänförliga till den moderna livsstilen. Metoderna som avslöjas i vår tidning kommer att börja bana väg, kanske."

"Vår kemi kan tyckas vara nischad eller esoterisk, men dessa exempel fungerar bara som proof-of-concept för vad som kan bli kraftfulla metoder för att göra nya molekyler som kan ha påtaglig samhällspåverkan:läkemedel, jordbrukskemikalier, dofter och listan fortsätter, sa Megan Emmanuel, en doktorand i Hysters labb och en medförfattare på tidningen. "Konsekvensen av att vårt arbete kan en dag, användas för att ge meningsfulla bidrag till människors liv är spännande."

Pappret, "Katalytisk promiskuitet möjliggörs av fotoredoxkatalys i nikotinamidberoende oxidoreduktaser" av Kyle Biegasiewicz, Simon Cooper, Megan Emmanuel, David Miller och Todd Hyster, publicerades i Naturkemi den 11 juni, 2018.