Naturen använder enzymer för olika metaboliska processer. Dessa biologiska katalysatorer är extremt effektiva. Biomimetiska katalysatorer baserade på billiga utgångsmaterial från laboratoriet som kan reproducera effektiviteten hos de naturliga enzymerna och kan fungera vid omgivningsförhållanden är därför av stort intresse för forskning och industri.
I ett projekt som leds av Institute of Chemistry vid Humboldt-Universität zu Berlin (HU) har forskare undersökt en speciell grupp biologiska katalysatorer som kallas oxidaser. Dessa enzymer katalyserar olika oxidationsreaktioner, där elektroner frigörs från ett ämne och absorberas av ett annat. Små, mycket reaktiva partiklar, så kallade radikaler, spelar ofta en viktig roll i dessa processer.
Enzymet av aktuellt intresse är galaktosoxidas som finns i många typer av svampar, där en fenoxylradikal används som oxidant. Teamet som leds av HU-forskaren Kallol Ray har nu hittat ett sätt att utnyttja fenoxylradikalen i laboratoriet på ett sådant sätt att oxidationskapaciteten kan ökas avsevärt.
I det naturligt förekommande enzymet stabiliseras fenoxylradikalen av en svavelatom, vilket begränsar dess oxidationsförmåga. Forskarna har nu förbättrat oxidationsförmågan genom att fästa en omodifierad fenoxylradikal till järn och har kemiskt karakteriserat denna järn-fenoxylradikal för första gången. Rays team samarbetade med kollegor från Technical University of Berlin och University of Michigan, USA, i detta projekt.
Arbetet publiceras i tidskriften Nature Chemistry .
"Vi förväntar oss att vårt arbete kommer att vara startpunkten för mer riktade ansträngningar för att utnyttja järn-fenoxyl-radikalinteraktionen för olika biokemiska reaktioner", säger Ray. "Detta kan stödja utvecklingen av nya katalysatorer som behövs för alternativ energiteknik och andra biotekniska tillämpningar."
Rays och hans teams forskningsresultat är av stor betydelse för både forskning och tillämpning, eftersom reaktionen katalyserad av galaktosoxidas (oxidation av en primär alkohol till motsvarande aldehyd) är en av de viktigaste och mest använda kemiska reaktionerna i organiska syntes.
Fynden skulle även kunna användas inom industrin för att omvandla den klimatskadliga gasen metan till flytande metanol. Till skillnad från metan, som är en flyktig gas och därför svår att hantera, är metanol lätt att transportera och kan användas som syntetiskt bränsle. För närvarande krävs mycket energi för att omvandla metan till metanol. Den kemiska reaktionen sker endast vid höga temperaturer (> 500 grader Celsius) och under högt tryck. Biomimetiska katalysatorer skulle kunna minska denna energitillförsel avsevärt.
"I det här projektet var det spännande att se den oväntade strukturella och funktionella likheten mellan vårt syntetiska system och naturliga enzymer", säger Dustin Kass, en Ph.D. student i Kallol Rays forskargrupp och huvudförfattare till denna studie.
Mer information: Dustin Kass et al, Infångning av en fenoxylradikal vid ett icke-hem högspinnande järn(II)-centrum, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-023-01405-9
Tillhandahålls av Humboldt University of Berlin
