Kredit:SUWIT NGAOKAEW, Shutterstock
Mångsidiga katalysatorer med nya egenskaper och funktioner skulle kunna revolutionera forskarnas syntetiska strategier och bana väg för högvärdiga kemikalier och en grönare kemisk industri. På jakt efter sådana katalysatorer har forskare konstruerat ett enzym som kan påskynda en organisk reaktion välkänd för sin extremt långsamma reaktionshastighet.
Reaktionen i fråga kallas Morita-Baylis-Hillman (MBH)-reaktionen, en kraftfull process som används för att bilda en kol-kolbindning mellan en alken och en elektrofil förening som aldehyd. MBH-reaktionen skapar produkter som är användbara byggstenar för ytterligare synteser. Det kräver dock höga katalysatorladdningar och har långa reaktionstider med befintliga katalysatorer (normalt småmolekylära katalysatorer som DABCO och DMAP), vilket tar flera dagar att producera en användbar mängd produkt. Därför, trots dess användbarhet i organisk syntes, förhindrar dessa nackdelar dess mer utbredda användning.
"De typiska katalysatorerna du använder för denna reaktion är små nukleofiler", säger professor Anthony Green från enzC-Hem-projektets värd University of Manchester, Storbritannien, i en artikel publicerad på "Chemistry World." "Det fina med biologi är att om du kan konstruera ett enzym eller designa ett protein för att utföra denna reaktion, är hastighetsaccelerationen signifikant jämfört med allt som har uppnåtts med småmolekylära kemi," fortsätter Prof. Green, som är senior författare. av studien publicerad i tidskriften Nature Chemistry .
Vägen till en bättre katalysator
I syfte att skapa den första effektiva och selektiva biokatalysatorn för MBH-reaktionen använde forskargruppen ett enzym - BH32 - som utvecklats några år tidigare av Dr. David Baker och hans team vid University of Washington i USA. Som rapporterats i nyhetsartikeln, medan Dr Baker – som är medförfattare i den aktuella studien – och hans team lyckades designa enzymer för MBH-reaktionen, verkade dessa enzymer svagt. "De var katalytiskt kompetenta, men var inte livskraftiga biokatalysatorer", enligt Prof. Green.
För att skapa det nya enzymet utsatte forskargruppen under ledning av Prof. Green det primitiva enzymet BH32 för en process som kallas riktad evolution. Ett kraftfullt ingenjörsverktyg för att skräddarsy enzymer mot önskade transformationer, riktad evolution förbättrar proteinernas funktioner genom upprepade omgångar av mutation och selektion. Efter 14 omgångar av evolution lyckades forskargruppen konstruera ett enzym som heter BH32.14 som är betydligt snabbare och dessutom enantioselektivt.
Resultaten visade att låga koncentrationer av BH32.14 tillsatt till MBH-reaktionen kan uppnå mycket större utbyten än höga laddningar av nuvarande småmolekylära katalysatorer. Dessutom tar reaktionen bara några timmar, inte flera dagar.
Det nytillverkade enzymet "är ett av de mest komplexa designade enzymerna som hittills tillämpats på organisk kemi", rapporterar artikeln. Arbetet som stöds av enzC-Hem (Creating Versatile Metallo-Enzyme Environments for Selective C-H Activation Chemistry:Lignocellulose Deconstruction and Beyond) visar att en kombination av beräkningsdesign och riktad evolution kan leda till nya biokatalysatorer för viktiga kemiska omvandlingar som inte finns i naturen. + Utforska vidare
