Kemister vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har utvecklat en organisk katalysator som kan driva reaktioner med pyruvat - en nyckelbiomolekyl i många metabola vägar - som är svåra och komplicerade att uppnå med konventionella industriella tekniker.

Forskningen, nyligen publicerad i Organic Letters , är ett viktigt steg mot att förenkla produktionsprocessen och öka utbudet av molekyler som kan byggas från pyruvat, som aminosyror eller glykolsyror, som används i läkemedelsupptäckten och medicinering.

"Katalysatorer, ämnen som kontrollerar och accelererar kemiska reaktioner utan att inkluderas i slutprodukterna, är avgörande verktyg för kemister", säger Santanu Mondal, doktor. kandidat i Chemistry and Chemical Bioengineering Unit vid OIST och första författare till studien. "Och i synnerhet organiska katalysatorer kommer att revolutionera industrin och göra kemin mer hållbar."

För närvarande används metallkatalysatorer inom industrin, som ofta är dyra att få tag på och producerar farligt avfall. Metallkatalysatorer reagerar också lätt med luft och vatten, vilket gör dem svåra att lagra och hantera. Men organiska katalysatorer bildas av vanliga grundämnen, som kol, väte, syre och kväve, så de är mycket billigare, säkrare och mer miljövänliga.

"Utöver dessa fördelar främjar vårt nyutvecklade organiska katalysatorsystem också reaktioner med pyruvat som inte är lätta att uppnå med metallkatalysatorer", tillade Santanu.

I alla kemiska reaktioner, fortsatte han med att förklara, kan molekyler reagera genom att antingen ge bort elektroner eller ta emot dem. Pyruvat är mycket bättre på att ta emot elektroner när det reagerar och används vanligtvis på detta sätt inom industrin, för att producera organiska alkoholer och lösningsmedel. Men i våra kroppar kan proteinkatalysatorer som kallas enzymer driva reaktioner där pyruvat donerar elektroner för att producera molekyler som fettsyror och aminosyror.

Genom att hämta inspiration från dessa enzymer designade forskarna ett katalysatorsystem tillverkat av två små organiska molekyler, en syra och en amin, som tvingar pyruvat att fungera som en elektrondonator.

I reaktionen binder aminen till pyruvat och bildar en mellanliggande molekyl. Syran täcker sedan en del av mellanmolekylen, samtidigt som en annan del, som kan donera elektroner, lämnas fri att reagera och bilda en ny produkt.

Viktigt är att katalysatorsystemet är mycket selektivt när det gäller vilken form av produkten det kommer att göra. Liksom våra händer är många biomolekyler asymmetriska och kan existera i två former som är spegelbilder av varandra. Dessa molekyler ser likadana ut, men har ofta olika egenskaper.

"Organiska katalysatorer kan utformas på ett sätt som i slutet av reaktionen, bara en av dessa spegelbildsformer görs," sa Santanu. "Detta är särskilt fördelaktigt inom läkemedelsindustrin, där en av formerna kan vara en effektiv behandling, men den andra formen kan vara giftig."

För pyruvatreaktionerna kunde forskarna selektivt välja vilken av de två spegelbildsformerna av slutprodukten som skulle göras, genom att ändra vilken spegelbildsform av aminen som användes för att katalysera reaktionen.

För närvarande fungerar det organiska katalysatorsystemet endast när pyruvat reagerar med en specifik klass av organiska molekyler, kallade cykliska iminer. Men i slutändan drömmer forskargruppen om att skapa en nästa generations katalysator för pyruvat som är universell, vilket innebär att den kan påskynda reaktioner mellan pyruvat och ett brett spektrum av organiska molekyler.

"Med en universell katalysator skulle kemister enkelt kunna göra en mängd olika produkter från pyruvat, i båda spegelbilderna", sa Santanu. "Detta skulle få många betydelsefulla effekter på samhället, som att påskynda utvecklingen av nya läkemedel." + Utforska vidare

Forma framtidens katalysatorer