Ett stort antal tillämpningar inom den kemiska industrin förlitar sig på molekylerna NADH eller NADPH som bränsle. Ett team ledd av professor Dirk Tischler, chef för arbetsgruppen för mikrobiell bioteknik vid Ruhr University Bochum, använde en biokatalysator för att studera sin produktion i detalj.
Forskarna bevisade att biokatalysatorn formatdehydrogenas förutom formiat också kan omvandla formamider. Det betyder bland annat att enzymet även kan klyva den svårbrytbara C–N-bindningen. För en annan är formamider ett vanligt lösningsmedel.
"Detta öppnar helt nya möjligheter för dåligt lösliga NADH-reaktioner såväl som NADPH-beroende reaktioner", säger Tischler.
Forskarna publicerade sina resultat i tidskriften ACS Catalysis den 26 januari 2024.
Formiatdehydrogenas används i biokatalytiska processer för att göra elektroner tillgängliga som bränsle för ytterligare reaktioner genom att avlägsna dem från ett substrat. I nuvarande applikationer är substratet NAD+ och produkten är NADH. Avfallsprodukten är CO2 .
"Detta är bra i det här fallet, eftersom det flyr ut som en gas och därför förhindrar den önskade reaktionen från att ske i omvänd riktning", förklarar Tischler.
Eftersom NADPH-varianten – med ytterligare en fosfatgrupp – ofta krävs som produkt, skapade hans team mutanter av biokatalysatorn som omvandlar NADP+ till den önskade produkten.
Tänk om katalysatorn också bryter C–N-bindningen?
Under arbetet med formiatdehydrogenas insåg forskarna att lite var känt om alternativa utgångsmaterial för biokatalysatorn. "Vi tittade på olika möjliga substrat (formiatderivat) och fann att en C-O-bindning alltid bryts när de omvandlas av biokatalysatorn", förklarar Tischler. "Detta gav oss en idé:Tänk om enzymet också kunde klyva C–N-bindningar - traditionellt sett en svår uppgift att lösa?"
Ytterligare tester visade att biokatalysatorn verkligen är kapabel till detta:Den kan också omvandla formamider, derivat av formiatet med en ytterligare förening för att bilda ett kväve, som ett utgångsmaterial. Eftersom formamider är vanliga och billiga lösningsmedel fungerar de som både lösningsmedel och substrat i denna reaktion. Det är också möjligt att tillhandahålla NADH och NADPH i denna konstellation. CO2 produceras som en avfallsprodukt även i dessa reaktioner, och genom att fly hindrar reaktionerna från att gå baklänges.
"Denna reaktion har aldrig beskrivits tidigare", säger Tischler. Hans team visade att användning av formamider som en elektronkälla för NADPH-bildning kan uppnå likvärdiga eller till och med något bättre resultat jämfört med det konventionella systemet med format.
"Detta öppnar helt nya möjligheter, eftersom våra mer stabila mutanter fortfarande är aktiva i upp till 40 volymprocent formamider", säger forskaren.
Mer information: Artur Maier et al, Unlocking Catalytic Diversity of a Formate Dehydrogenase:Formamid Activity for NADPH Regeneration and Amine Supply for Asymmetric Reductive Amination, ACS Catalysis (2024). DOI:10.1021/acscatal.3c05409
Journalinformation: ACS-katalys
Tillhandahålls av Ruhr-Universitaet-Bochum
