Engineering enzymer för att utföra reaktioner som inte finns i naturen kan hantera långvariga utmaningar i världen av syntetisk kemi, som att uppgradera växtbaserade oljor till användbara biokemikalier.

Ett team av forskare har utvecklat en enkel men kraftfull strategi för att skapa nya enzymer med ny reaktivitet som kan producera värdefulla kemiska föreningar, som bygger på deras tidigare arbete med ljus för att återanvända naturligt förekommande enzymer.

Studien, publicerad i Nature Catalysis, leddes av Xiaoqiang Huang, en före detta postdoktor vid University of Illinois Urbana-Champaigns Department of Chemical and Biomolecular Engineering (ChBE) och Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI), ett U.S. Department of Energy-finansierat Bioenergy Research Center . Huang, för närvarande biträdande professor vid Nanjing University i Kina, utförde detta arbete i laboratoriet av ChBE Professor Huimin Zhao, CABBI:s Conversion Theme Leader och en filial till Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB).

I studien användes synligt ljus för att excitera ett konstruerat ketoreduktasenzym, vilket möjliggör en ny biokatalytisk reaktion känd som en asymmetrisk radikalkonjugattillsats, vilket är extremt svårt att uppnå genom kemisk katalys.

Katalysatorer är ämnen som används för att påskynda kemiska reaktioner. I levande organismer katalyserar proteinmolekyler som kallas enzymer reaktioner i en process som kallas biokatalys. Forskare har börjat använda biokatalys för att syntetisera värdefulla föreningar, eftersom dess höga selektivitet tillåter dem att distribuera enzymer för att verka på specifika substrat och skapa målprodukter. En annan fördel är att enzymatiska reaktioner är mycket hållbara. De är relativt billiga, förbrukar låga nivåer av energi och gör minimal skada på miljön – till skillnad från kemiska katalysatorer, som vanligtvis kräver organiska lösningsmedel, värme och högt tryck för att fungera.

Ändå är enzymer komplicerade att arbeta med. De är normalt begränsade till att katalysera reaktioner som finns i naturen, vilket innebär att forskare ofta kämpar för att hitta den perfekta biokatalysatorn för att möta deras behov. Zhaos labb har fokuserat på att styra biokatalys med synligt ljus, en process som kallas "fotobiokatalys", för att producera ny enzymreaktivitet. I en tidigare studie utvecklade Zhao och Huang en synligt ljusinducerad reaktion med hjälp av ett enzym vid namn en-reduktas (ER) som biokatalysator för att producera höga utbyten av värdefulla kirala karbonylföreningar, som har potentiella tillämpningar för produktion av högvärdiga kemikalier.

Den nya studien bygger på det arbetet, med hjälp av fotobiokatalys på en annan enzymfamilj - nikotamidberoende ketoreduktaser som produceras av bakterier - och en annan kemisk mekanism för att producera en annan typ av kirala karbonylföreningar som kallas α-kirala estrar. Genom belysningen och utvecklingen av ketoreduktas uppnådde teamet en enantioselektiv biokatalytisk radikalkonjugattillsats av Giese-typ för att omvandla fettsyror till α-kirala estrar, sa Zhao.

Enantioselektivitet är graden till vilken en enantiomer - en av ett par molekyler som är spegelbilder av varandra - företrädesvis produceras i en kemisk reaktion. Kiralitet är en grundläggande egenskap hos organiska föreningar, som i hög grad påverkar egenskaperna hos molekyler, och dess implikationer är enorma inom många områden, inklusive biologi, medicin och materialvetenskap. Till exempel ökar den mångfaldiga stereokemin hos organiska molekyler (atomernas rumsliga arrangemang och dess effekt på kemiska reaktioner) inte bara avsevärt rikedomen i den biologiska världen, utan spelar också en djupgående roll i många biologiska aktiviteter som molekylär kommunikation, sa han .

Resultaten erbjuder praktiska tillämpningar för CABBI:s arbete med att utveckla biobränslen och biokemikalier från grödor som miscanthus, sorghum och energirör istället för petroleum. Den nya biokatalytiska omvandlingen skulle kunna använda fettsyrorna som CABBI genererar från dessa växter som utgångsmaterial för att syntetisera förädlade bioprodukter – som ingredienser för tvål eller hudvårdsprodukter – på ett miljövänligt sätt.

"Även om vi inte riktade in oss på en specifik produkt för ytterligare tillämpning, ger detta arbete en praktisk ny metod som potentiellt kan användas för att uppgradera fettsyror," sa Zhao. "Enzymer är arbetshästarna för biologisk syntes av bränslen och kemikalier från förnybar biomassa.

"En av de stora vetenskapliga förändringarna i CABBI:s omvandlingsforskning, eller bioenergiforskning i allmänhet, är bristen på kända enzymer med önskad aktivitet och substratspecificitet för syntes av målbränslen och kemikalier. Därför finns det ett akut behov av att utveckla nya strategier för att upptäcka eller konstruera enzymer med önskad aktivitet eller reaktivitet." + Utforska vidare

Forskare belyser ny enzymreaktion