Przyspieszenie powolnej reakcji organicznej dzięki nowo opracowanemu enzymowi
Uniwersalne katalizatory o nowych cechach i funkcjach mogą zrewolucjonizować techniki syntezy, otwierając drogę do wysokowartościowych chemikaliów i bardziej przyjaznego dla środowiska przemysłu chemicznego. Poszukiwaniem takich katalizatorów zajęli się naukowcy wspierani częściowo przez finansowany przez UE projekt enzC-Hem. Udało im się opracować enzym, który może przyspieszyć przebiegającą niezwykle powoli reakcję organiczną. Chodzi o reakcję Morita-Baylisa-Hillmana (MBH), w czasie której powstaje wiązanie węgiel–węgiel między alkenem a związkiem elektrofilowym, na przykład aldehydem. Produkty reakcji MBH pełnią rolę przydatnych substratów w dalszych reakcjach syntezy. Reakcja ta wymaga jednak użycia dużych stężeń katalizatora, a czas jej trwania w przypadku zastosowania dostępnych obecnie związków katalitycznych (zwykle katalizatorów drobnocząsteczkowych, takich jak DABCO i DMAP) jest niezwykle długi – na wytworzenie użytecznych ilości produktu potrzeba kilku dni. Mankamenty te sprawiają, że choć jest ona użyteczna z punktu widzenia syntezy organicznej, jej stosowanie jest raczej ograniczone. „Katalizatory, których zazwyczaj używa się w tej reakcji, to drobnocząsteczkowe nukleofile”, mówi prof. Anthony Green z brytyjskiego Uniwersytetu w Manchesterze, pełniącego rolę gospodarza projektu enzC-Hem, w artykule opublikowanym w witrynie „Chemistry World”. „Piękno biologii polega na tym, że zastosowanie odpowiednio zmodyfikowanego enzymu lub dobrze opracowanego białka pozwala zwiększyć szybkość reakcji w stopniu znacznie większym niż w przypadku użycia związków drobnocząsteczkowych”, mówi prof. Green, główny autor badania opublikowanego w magazynie „Nature Chemistry”.
Prace nad doskonalszym katalizatorem
Badacze podjęli się wytworzenia pierwszego wydajnego i selektywnego biokatalizatora przeznaczonego do użycia w reakcji MBH. W tym celu wykorzystali enzym BH32, który kilka lat wcześniej opracował dr David Baker i jego zespół z amerykańskiego Uniwersytetu Waszyngtońskiego. Artykuł wspomina, że dr Baker (współautor opisywanego badania) i jego zespół prowadzili już prace nad enzymami na potrzeby reakcji MBH – związki takie udało się wytworzyć, ale siła ich oddziaływania okazała się za słaba. Jak mówi prof. Green, „miały one właściwości katalityczne, ale nie nadawały się do użycia w roli biokatalizatorów”. Aby wytworzyć nowy enzym, zespół badawczy, któremu przewodził prof. Green, poddał enzym pierwotny (BH32) procesowi nazywanemu ewolucją ukierunkowaną. Ewolucja ukierunkowana to zaawansowane narzędzie, które pozwala modyfikować enzymy na potrzeby wybranych przemian chemicznych. Doskonalenie właściwości białek polega na wielokrotnym powtarzaniu cykli mutacji i selekcji. Po 14 cyklach ewolucyjnych badaczom udało się uzyskać enzym o nazwie BH32.14 który nie tylko znacznie zwiększa szybkość reakcji, lecz jest również enancjoselektywny. Wyniki badań wskazują, że po dodaniu niskich stężeń BH32.14 wydajność reakcji MBH jest znacznie wyższa niż w przypadku stosowania dużych ilości dostępnych obecnie katalizatorów drobnocząsteczkowych. Ponadto reakcja trwa tylko kilka godzin, a nie kilka dni. Jak napisano w artykule, nowo opracowany enzym „jest jednym z najbardziej złożonych enzymów uzyskanych sztucznie, które zastosowano dotychczas w chemii organicznej”. Prace wspierane w ramach projektu enzC-Hem (Creating Versatile Metallo-Enzyme Environments for Selective C-H Activation Chemistry: Lignocellulose Deconstruction and Beyond) pokazują, że zastosowanie połączenia inżynierii obliczeniowej i ewolucji ukierunkowanej może prowadzić do opracowania nowych, niewystępujących w przyrodzie biokatalizatorów na potrzeby istotnych przemian chemicznych. Więcej informacji: projekt enzC-Hem
Słowa kluczowe
enzC-Hem, katalizator, biokatalizator, enzym, reakcja Morita-Baylisa-Hillmana, reakcja MBH, reakcja organiczna, BH32.14
