Enzymer är naturens kraftverk. Finns i cellerna hos alla djur, växter, och alla andra levande organismer, de påskyndar de kemiska reaktionerna som utlöser tusentals biologiska funktioner - från att bilda neuroner till att smälta mat.

De utför sina jobb så selektivt och så snabbt - miljontals gånger snabbare än ett ögonblick - att området för biomimetisk kemi har vuxit fram under de senaste decennierna med målet att designa artificiella enzymer som kan efterlikna naturliga enzymers krafter i industriella miljöer. Konstgjorda enzymer kan, till exempel, konvertera majs till etanol eller hjälpa till att skapa nya läkemedel snabbare, billigt, och effektivt.

Gå ett steg närmare att uppnå det målet, Rajeev Prabhakar, en beräkningskemist vid University of Miami, och hans medarbetare vid University of Michigan har skapat en roman, syntetisk, tresträngad molekyl som fungerar precis som ett naturligt metalloenzym, eller ett enzym som innehåller metalljoner.

"Det var inte klart att de kunde göras, men vi gjorde dem. Och, sedan använde vi dem för att framgångsrikt katalysera reaktioner, "sa Prabhakar, en professor i kemi som studerar enzymreaktioner i hopp om att designa sina artificiella analoger. "Detta är ett stegvis men viktigt steg i utvecklingen av artificiella enzymer, som länge har ansetts vara kemiens heliga gral. Tyvärr, så bra som naturliga enzymer fungerar i våra kroppar och andra livsformer, de tål inte andra inställningar särskilt bra. De är också mycket dyra och inte lätta att förbereda och rena. "

För deras banbrytande studie publicerad i Naturkemi Denna vecka, Prabhakar och doktorand Vindi M. Jayasinghe-Arachchige gick samman med Vincent L. Pecoraro, en kemiprofessor vid University of Michigan, för att förbättra prestandan för de konstgjorda enzymerna som Pecoraros pionjär hade genom åren. Michigan -forskarna hade tidigare skapat enklare syntetiska metalloenzymer som framgångsrikt katalyserade ett antal kemiska reaktioner. Men de konstgjorda makromolekylerna var utformade med tre identiska, eller symmetriska "homotrimeriska" trådar, som, Prabhakar sa, begränsade deras katalytiska förmågor.

I den nya molekylen, som Jayasinghe-Arachchige utformade på University of Miamis superdator med Prabhakars vägledning, den tredje strängen skiljer sig i struktur från de andra två strängarna. Hennes kvantmekaniska beräkningar visade att ju mer komplexa, icke-symmetrisk, tresträngad struktur, känd som en "heterotrimerisk" spole, utökade den katalytiska prestandan för homotrimeriska artificiella metalloenzymer - en upptäckt som Pecoraro och hans team bekräftade med experiment i sitt laboratorium i Michigan.

"Våra tekniker är olika, men gratis, "Sa Prabhakar." Vad vi gör kan Pecoraro -gruppen inte göra, och vad de gör, vi kan inte göra. Vi modellerar molekyler på datorn så att vi kan förutsäga deras strukturella egenskaper och mekanismen för deras formationer. De använder våra modeller för att bygga den riktiga saken, och i det här fallet är det det första exemplet på en naturlig heterotrimerisk molekyl. "

De flesta lekmän skulle antagligen tycka att studien var så obegriplig som titeln:"Heteromera tresträngade spolade spolar utformade med hjälp av en Pb (II) (Cys) 3-mallmedierad strategi." Men slutresultatet, Prabhakar sa, är att den samarbetsforskning som bedrivs i Miami och Michigan öppnar dörren till en ny strategi för att uppnå skapandet av artificiella enzymer som fungerar såväl som naturliga enzymer.

Förutom Pecocaro, Prabhakar, och Jayasinghe-Arachchige, andra medförfattare till studien inkluderar Prabhakars tidigare doktorand, Thomas J.Paul, nu vid University of Michigan; Audrey E. Tolbert, Catherine S. Ervin, och Kosh P. Neupane, även från University of Michigan; och Leela Ruckthong, från King Mongkuts tekniska universitet, i Thailand.

Nu under sitt sista studieår för sin doktorsexamen i kemi, Jayasinghe-Arachchige sa att hon fortfarande är fascinerad av framstegen inom beräkningskemitekniker som gjorde det möjligt för henne att modellera den nya molekylens kemiska strukturer och reaktioner.

"Jag är upphetsad över att våra resultat kommer att skapa nya vägar för utveckling av effektiva artificiella enzymer som kan användas för att förbättra livskvaliteten, '' sa Jayasinghe-Arachchige, "och som kvinna på ett område där kvinnor är underrepresenterade, Jag hoppas att denna studie kommer att motivera kvinnor att gå med i den fascinerande världen av STEM -fält. "