Forskare vid Paul Scherrer Institute PSI har – för första gången – exakt karakteriserat enzymet styrenoxidisomeras, som kan användas för att producera värdefulla kemikalier och läkemedelsprekursorer på ett miljövänligt sätt. Studien visas i tidskriften Nature Chemistry .
Enzymer är kraftfulla biomolekyler som kan användas för att producera många ämnen vid omgivande förhållanden. De möjliggör "grön" kemi, vilket minskar miljöföroreningar till följd av processer som används inom syntetisk kemi. Ett sådant verktyg från naturen har nu karakteriserats i detalj av PSI-forskare:enzymet styrenoxidisomeras. Det är den biologiska versionen av Meinwald-reaktionen, en viktig kemisk reaktion inom organisk kemi.
"Enzymet, som upptäcktes för decennier sedan, tillverkas av bakterier", säger Richard Kammerer från PSI:s Biomolecular Research Laboratory. Hans kollega Xiaodan Li tillägger, "Men eftersom det inte var känt hur det fungerar, har dess praktiska tillämpning varit begränsad fram till nu." De två forskarna och deras team har klarlagt enzymets struktur och hur det fungerar.
Mikroorganismer har specifika enzymer med vilka de till exempel kan bryta ner skadliga ämnen och använda dem som näringsämnen. Styrenoxidisomeras är en av dessa. Tillsammans med två andra enzymer gör det att vissa miljöbakterier kan växa på kolvätet styren.
Styrenoxidisomeraset katalyserar ett mycket specifikt steg i reaktionen:Det delar en treledad ring i styrenoxiden bestående av ett syre- och två kolatomer, en så kallad epoxid. Därmed är enzymet mycket specifikt och skapar endast en produkt. Det kan också omvandla ett antal ytterligare ämnen, vilket ger viktiga prekursorer för medicinska tillämpningar.
En särskild fördel har att göra med att det i många kemiska reaktioner bildas både en bild och en spegelbild av en kemisk förening, vilket kan ha helt olika biologiska effekter. Men detta enzym skapar specifikt bara en av de två produkterna. Inom kemin kallas denna egenskap stereospecificitet – den är särskilt viktig för genereringen av prekursormolekyler för läkemedel.
"Enzymet är ett imponerande exempel på hur naturen möjliggör kemiska reaktioner på ett enkelt och genialiskt sätt", säger Li.
I samband med sina undersökningar, som de delvis genomförde vid Swiss Light Source SLS, upptäckte PSI-forskarna enzymets hemlighet:en järnhaltig grupp i dess inre, liknande det järnhaltiga pigmentet i våra röda blodkroppar. Denna hemgrupp binder epoxidringen, och det är så den gör reaktionen så enkel och effektiv.
Andra delar av undersökningarna utfördes av gruppen Volodymyr Korkhov, också från PSI Laboratory for Biomolecular Research och docent vid institutionen för biologi vid ETH Zürich, med hjälp av kryo-elektronmikroskopi.
Li och Kammerer känner sig säkra på att enzymet kommer att visa sig extremt användbart inom den kemiska och farmaceutiska industrin. "Det är hittills det enda bakteriella enzymet som är känt för att katalysera Meinwald-reaktionen," betonar Kammerer. Med hjälp av enzymet skulle industrin kunna producera prekursorer för läkemedel och viktiga kemikalier under energibesparande och miljövänliga förhållanden.
Li tillägger, "Enzymet kan potentiellt förändras så att det kan producera väldigt många nya ämnen."
Dessutom är enzymet mycket stabilt och lämpar sig därför för storskaliga industriella tillämpningar.
"Det kommer säkerligen att bli ett nytt, viktigt verktyg för den cirkulära ekonomin och grön kemi", är PSI-forskarna övertygade.
Mer information: Strukturell grund för Meinwald-omläggningen katalyserad av styrenoxidisomeras, Naturkemi (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01523-y
Journalinformation: Naturkemi
Tillhandahålls av Paul Scherrer Institute
