Forskare vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory har upptäckt en ny funktion i ett växtenzym som kan få konsekvenser för utformningen av nya kemiska katalysatorer. Enzymet katalyserar, eller initierar, en av de kemiska hörnstensreaktionerna som behövs för att syntetisera ett brett spektrum av organiska molekyler, inklusive de som finns i smörjmedel, kosmetika, och de som används som råmaterial för tillverkning av plast.

"Detta enzym kan inspirera till en ny form av "grön" kemi, " sa Brookhaven Lab biokemist John Shanklin, som ledde forskningen. "Kanske kan vi anpassa den här biomolekylen för att göra användbara kemikalier i växter, eller använd den som grund för att designa nya bioinspirerade katalysatorer för att ersätta dyrare, giftiga katalysatorer som används för närvarande."

Shanklin och hans team publicerade en artikel som beskrev forskningen i tidskriften Växtfysiologi .

Teamet gjorde upptäckten under sin pågående forskning om enzymer som avsättar växtoljor. Dessa desaturasenzymer tar bort väteatomer från specifika intilliggande kolatomer i en kolvätekedja och infogar en dubbelbindning mellan dessa kolatomer. Shanklins grupp hade tidigare skapat en trippelmutant version av ett desaturasenzym med intressanta egenskaper, och de studerade de tre mutationerna separat för att se vad var och en gjorde.

Två av de enkelmuterade enzymerna visade sig ta bort dubbelbindningen mellan intilliggande kolatomer och tillsatte en "OH" (hydroxylgrupp) till varje kol för att producera en fettsyra med två intilliggande hydroxylgrupper.

Fettsyror som innehåller sådana intilliggande OH-grupper, känd som dioler, är viktiga kemiska komponenter för tillverkning av smörjmedel, som de som håller varma motorer igång smidigt. De kan också omvandlas till byggstenar för tillverkning av plast eller andra råvaruprodukter.

"Dioler är verkligen viktiga industriella kemikalier men att göra dem på konstgjord väg i labbet är ganska problematiskt, sa Shanklin.

De bästa industriella katalysatorerna för denna reaktion är dyra, mycket flyktig, och giftigt, noterade han.

Ett annat problem är att det finns distinkta former av dioler, och det är svårt för kemister att göra en enda ren form.

"Enzymmutanterna som vi upptäckte gör naturligtvis en enda form, så den är redo att användas utan ytterligare bearbetning eller avfall, "Sa Shanklin.

Att spåra ursprunget till syreatomerna i de två OH-grupperna visade att båda kom från samma syremolekyl (O?). Möjligheten att överföra båda syreatomerna från en enda O? molekyl under en reaktion, känd som "dioxygenas" kemi, var något av en överraskning för ett "dijärn"-enzym (ett med två järnatomer i sin aktiva plats).

"Dioxygenaskemi har inte tidigare rapporterats för dijärnenzymer, Shanklin sa. "Vi var tvungna att utföra några tekniskt utmanande experiment för att ge obestridliga bevis på att detta verkligen hände, och utan Ed Whittles kreativitet och uthållighet, vi skulle inte ha slutfört den här studien."

Tälja, huvudförfattaren på tidningen (nu pensionerad från Brookhaven Lab), har flitigt arbetat med detta projekt under en period av år i Shanklins labb för att spika fast denna viktiga nya upptäckt.

Teamets nästa mål är att erhålla en kristallstruktur av detta enzym med hjälp av röntgenstrålar vid National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - en DOE Office of Science-användaranläggning vid Brookhaven Lab.

"Vi kommer att dela den strukturella informationen med våra beräkningskemikollegor för att ta reda på detaljerna om hur denna oöverträffade kemi kan uppstå med denna klass av katalysatorer."

Det arbetet kan hjälpa teamet att lära sig hur man kontrollerar konfigurationen av labbtillverkade katalysatorer för att efterlikna den växtbaserade versionen.

"Om vi ​​kan införliva det vi har lärt oss i designen av industriella katalysatorer, dessa reaktioner kan ge renare produkter med mindre avfall och undvika att använda giftiga kemikalier, sa Shanklin.