Kemister vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) har upptäckt ett sätt att vidga enzymernas naturliga substratomfång, vilket utökar omfånget av reaktioner som de kan katalysera. Teamet ledd av professor Tobias Erb och Dr. Christopher Gregg utvecklade ett artificiellt metalloenzym som uppvisar oöverträffad katalytisk promiskuitet. Forskarna fusionerade ett rationellt utformat zinkbindningsställe till en befintlig enzymställning. Detta fusionsprotein visade sig katalysera cykloadditionen av aziridiner med koldioxid för att ge oxazolidinoner – en reaktion som hittills inte har observerats i naturen. Studien, som nyligen publicerades i den välrenommerade tidskriften Nature Chemistry, öppnar för nya möjligheter för design av biokatalytiska processer.

Enzymer är proteinmolekyler som katalyserar kemiska reaktioner i levande organismer. De är mycket selektiva och effektiva, vilket gör att komplexa reaktioner kan inträffa under milda reaktionsförhållanden. Emellertid är substratomfånget för enzymer ofta begränsat, vilket innebär att de bara kan katalysera ett snävt spektrum av reaktioner.

"Att utöka den katalytiska repertoaren av enzymer är ett långvarigt mål inom kemi och bioteknik", säger Tobias Erb, professor i kemisk biologi och genetik vid JGU. "Detta skulle tillåta oss att använda enzymer för ett bredare spektrum av syntetiska reaktioner och potentiellt utveckla nya biokatalytiska processer för produktion av läkemedel och andra finkemikalier."

Ett sätt att utöka substratomfånget för enzymer är att konstruera dem genom att introducera mutationer eller kemiska modifieringar. Detta tillvägagångssätt är dock ofta tråkigt och tidskrävande, och det kan vara svårt att förutsäga vilka modifieringar som kommer att leda till den önskade katalytiska aktiviteten.

"Vi ville utveckla en mer allmän strategi som skulle göra det möjligt för oss att bredda det katalytiska spektrumet av enzymer på ett rationellt och effektivt sätt", förklarar Christopher Gregg, en postdoktor i Erbs grupp. "Vi blev inspirerade av det faktum att många enzymer innehåller metalljoner som är viktiga för deras katalytiska aktivitet."

Forskarna antog att genom att införa ett metallbindningsställe i en befintlig enzymställning, kunde de skapa ett artificiellt metalloenzym med en ny katalytisk aktivitet. För att testa denna hypotes fusionerade de ett rationellt utformat zinkbindningsställe till en enzymställning som härrörde från enzymet korismatmutas.

"Vi var glada över att finna att fusionsproteinet visade oöverträffad katalytisk promiskuitet", säger Gregg. "Det kunde katalysera cykloadditionen av aziridiner med koldioxid för att ge oxazolidinoner - en reaktion som hittills inte har observerats i naturen."

Forskarna tror att deras strategi kan användas för att utöka det katalytiska utbudet av andra enzymer också. "Vi arbetar för närvarande på att utöka omfattningen av vårt artificiella metalloenzym till andra typer av reaktioner", säger Erb. "Vi undersöker också användningen av andra metalljoner och enzymställningar."

Studien, som publicerades i Nature Chemistry den 20 februari 2023, öppnar för nya möjligheter för design av biokatalytiska processer. Genom att utöka det katalytiska sortimentet av enzymer kan det vara möjligt att utveckla mer effektiva och miljövänliga metoder för framställning av en mängd olika kemikalier.