Forskare har röjt ett hinder mot miljösanering av vissa föroreningar med ett nydesignat syntetiskt enzym som reducerar föreningen sulfit till sulfid - en notoriskt komplex kemisk reaktion i flera steg som har gäckat kemister i flera år.

I journalen Vetenskap , kemister vid University of Illinois i Urbana-Champaign beskrev deras enzym som innehåller två olika järnhaltiga centra sammanlänkade av ett enda enzym.

Sulfitreduktion, en vanlig oxidationsreduktion – eller redoxreaktion – kan störa rensningen av en stor klass av miljöföroreningar inklusive nitrat, arsenat och perklorat. Dessa föroreningar kommer in i miljön som biprodukter från produktionen av raketbränsle, ammunition och konstgödsel. Sulfit förekommer också naturligt och stör elimineringen av mer giftiga föreningar, och kemister har inte kunnat skapa katalysatorer för att avlägsna sulfit eftersom det kräver flera reaktionssteg med användning av ett komplext aktivt ställe som är svårt att designa och syntetisera.

"Många biokemiska reaktioner kräver en serie enzymer som arbetar tillsammans för att utföra flerstegsreaktioner, men sulfitreduktion använder bara ett enzym, kallas sulfitreduktas, som gör allt, " sa Yi Lu, professor i kemi vid Illinois. "Naturen skapade en mycket komplex enzymstruktur för att hantera denna kemiska reaktion, och forskare har inte kunnat replikera det förrän nu."

Tidigare grupper som har försökt bygga ett syntetiskt sulfitreducerande enzym har koncentrerat sig på att göra strukturella modeller som ser ut som den aktiva platsen för inhemska enzymer, sa kemistudenten Evan Mirts. För denna studie, teamet använde ett enzym som en ställning för att förankra kluster av järn- och svavelatomer som beter sig som små molekylära batterier, överföra de elektroner som behövs för att driva redoxreaktionen.

"Jag tror att vi var framgångsrika eftersom vi fokuserade på funktionaliteten hos vårt syntetiska enzym, inte bygga om den enklaste möjliga strukturen, " sa Mirts. "Vi tog hänsyn till interaktioner som vanligtvis anses vara sekundära, eller mindre viktig för den totala redoxreaktionen. Det visar sig att dessa interaktioner är extremt viktiga."

"När vi redogjorde för de så kallade svagare interaktionerna i vårt designade enzym, vi såg plötsligt redoxreaktionsaktivitet som var mycket lik den hos det naturligt förekommande sulfitreducerande enzymet, sa Lu, också en gemensam utnämning vid det amerikanska energidepartementets Pacific Northwest National Laboratory.

Teamet föreställer sig att deras nyutvecklade enzym inspirerar en ny generation av katalysatorer för att hjälpa till att rensa upp giftigt avfall i miljön och bidra till att förbättra kvaliteten på petroleumprodukter.

"Bortsett från de praktiska tillämpningarna, Jag tror att vårt arbete här har flyttat fram gränsen för artificiell enzymdesign i termer av att dechiffrera komplexiteten i redoxreaktioner och designa multifaktorkatalysatorer med mycket hög aktivitet, " sa Lu. "Med den framgångsrika demonstrationen av detta system, vi kan nu börja designa många andra multikofaktorenzymer som fungerar ännu mer komplexa, svåra reaktioner som vi bara kunde drömma om tidigare."