Ett team av banbrytande forskare från Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI) har tagit ett betydande steg framåt i den komplexa världen av molekylär kemi.
Deras fokus? Azaarener, unika molekylära pusselbitar som är avgörande för många vardagsprodukter, från miljövänliga jordbrukskemikalier till viktiga läkemedel. CABBI-teamet visade ett innovativt sätt att modifiera dessa molekyler, en banbrytande upptäckt som lovar nya industriellt relevanta kemiska reaktioner och hållbara energilösningar.
Centralt i deras forskning är användningen av fotoenzymatiska system. I enklare termer liknar det att överladda naturens små arbetare, enzymer, med en ficklampa, vilket gör det möjligt för dem att montera eller reparera molekylära strukturer på ett aldrig tidigare skådat sätt. Genom att utnyttja ljusets kraft har dessa forskare upptäckt nya kemiska reaktioner som tidigare ansågs vara utom räckhåll.
Studien, publicerad i Nature Chemistry , utfördes av forskare från University of Illinois Urbana-Champaign.
Huvudförfattarna är CABBI Conversion Theme Leader Huimin Zhao, professor i kemi- och biomolekylär teknik (ChBE), temaledare för biosystemdesign för Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB) och chef för NSF Molecule Maker Lab Institute i Illinois; och Maolin Li, en forskarassistent vid CABBI, ChBE och IGB.
Azaarener, till synes små i kemins stora universum, spelar ändå en monumental roll. De är byggstenarna i en uppsjö av föreningar, som påverkar även DNA:t i våra celler. Men utmaningen har alltid legat i deras manipulation.
Tack vare teamets utveckling av ett ene-reduktas-system – en specialiserad molekylär verktygslåda som använder enzymet ene-reduktas som Zhaos labb har använt i tidigare studier – hittade forskare ett sätt att intrikat modifiera dessa molekyler utan skador.
En av de framstående prestationerna i deras arbete är att bemästra den enantioselektiva väteatomöverföringen. Molekyler kommer ofta i vänster- och högerhänta versioner, eller enantiomerer, ungefär som handskar. Teamets metod tillåter dem att selektivt rikta in sig på och justera båda versionerna med oöverträffad precision. Genom fjärrstyrning av stereon kunde de dessutom göra dessa exakta justeringar på avstånd.
För CABBI och bioenergisektorn är denna upptäckt en spelomvandlare. Biobränslen och bioprodukter – energi och produkter som härrör från växtmaterial istället för icke-förnybara resurser som petroleum – representerar en grönare och mer hållbar framtid. Teamets forskning har utökat utbudet av kemiska reaktioner och bioprodukter som kan tillverkas effektivt.
Studien introducerade också konceptet asymmetrisk fotokatalys, en revolutionerande teknik som säkerställer konsekvens i dessa reaktioner. Det kan öppna upp nya vägar för att producera biobränslen och bioprodukter från ett bredare utbud av biomassaråvaror, vilket direkt är i linje med CABBI:s mål och det bredare DOE-uppdraget att främja hållbar energi och produktlösningar.
"Med vår nya strategi för azaarener och användningen av enzymatisk väteatomöverföring, tänjer vi inte bara på gränser inom kemin," sa Zhao. "Vi lägger grunden för en mer hållbar och innovativ framtid. Vår forskning har breddat den tillgängliga verktygslådan för miljövänlig produktion och har potential att katalysera genombrott inom jordbrukskemikalier och vidare."
Utöver labbet är potentialen för verkliga tillämpningar enorm, från att vara ledande inom hållbar energi till att gå i spetsen för säkrare jordbrukskemikalier. Framsteg inom bioenergi och bioprodukter kan leda till ekonomisk tillväxt, med nya industrier, jobb och produkter för konsumenter och potentiellt mer överkomliga energikällor. Genom att främja hållbara och effektiva produktionsmetoder kan forskningen minska föroreningar och miljöförstöring, vilket resulterar i renare luft och vatten för samhällen.
När världen brottas med miljöutmaningar och det trängande behovet av hållbara lösningar, visar upptäckter som dessa vägen framåt, sa Li.
"Som postdoktor i det här projektet har jag varit djupt fördjupad i azaarenernas krångligheter och deras potential. Att reda ut utmaningarna med fjärrstyrning av stereo och bevittna de transformativa möjligheterna med våra resultat har verkligen varit spännande. Den här forskningen är inte bara om nyanserna av kemiska reaktioner, det handlar om framtiden för hållbar energi och mer. Jag är spänd på att se vart denna resa tar oss härnäst.
Mer information: Li, M. et al, Fjärrstereokontroll med azaarener via enzymatisk väteatomöverföring, Nature Chemistry (2023). DOI:10.1038/s41557-023-01368-x. www.nature.com/articles/s41557-023-01368-x
Journalinformation: Naturkemi
Tillhandahålls av University of Illinois i Urbana-Champaign
