Hydride and hydrogen transfer activity in enzymatic and nonenzymatic systems through the lens of three-component thermodynamics - study of the role of enzymatic microenvironments

Información del proyecto

MicroEnv

Identificador del acuerdo de subvención: 101150275

DOI

10.3030/101150275

Fecha de la firma de la CE 20 Marzo 2024

Fecha de inicio 1 Septiembre 2024

Fecha de finalización 31 Agosto 2026

Financiado con arreglo a

• Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA)

Coste total

Sin datos

Aportación de la UE

€ 150 438,72

Coordinado por

USTAV FYZIKALNI CHEMIE J. HEYROVSKEHO AV CR, v. v. i.
Czechia

Descripción del proyecto

Optimizar la eficacia de las enzimas

La ruptura y formación selectiva de enlaces químicos entre átomos de carbono (C) e hidrógeno (H) es fundamental para diferentes reacciones químicas como, por ejemplo, la reducción del CO2. Este proceso requiere un equilibrio de transferencias de protones y electrones, como la abstracción de átomos de hidrógeno o la transferencia de hidruros. Sin embargo, controlar dónde y cómo se producen estos procesos es complejo. La eficacia de esos procesos depende a menudo de factores como el entorno de la enzima y cómo éste afecta a la reacción. En el proyecto MicroEnv, que cuenta con el apoyo de las acciones Marie Skłodowska-Curie, se desarrollará un modelo de transferencia de protones y electrones. El proyecto tiene como objetivo mejorar la eficacia de la reducción de CO2 y la activación de enlaces C-H. Esta investigación podría ayudar a diseñar mejores catalizadores y optimizar las enzimas para reacciones químicas relevantes.

Objetivo

The crucial step for selective cleavage and formation of C-H bonds is a concerted transfer of proton (PT) and electron(s) (ET): hydrogen atom abstraction (HAA) or hydride transfer (HT). The HAA and HT processes can be employed to various chemical transformations: from activation of inert bonds to reduction of CO2. This approach, however, requires a strict control of the regioselectivity of the reaction. Notably, enzymes - catalysts developed by Nature, are characterised by high activity and selectivity. In this project, we would like to provide insight into the interplay of reaction thermodynamics and sterics given by the microenvironment of prototypical enzymatic active sites (employing HAA or HT as a key step in catalysis) and to decipher which of these effects is more important in enzymatic selectivity.
The focal point of the project is the novel three component thermodynamic-based model for reactivity, developed for concerted H+/e abstraction. The model captures the coupled nature of PT and ET by the relative magnitutes of redox potentials and acidity constants of the reactants - their values determine not only the the reaction driving force but also the two novel contributions: asynchronicity and frustration with opposing effects on the barrier for the reaction. An asynchronous process, featuring a large disparity in ET and PT components of the reaction driving force, is more efficient. In contrast, a common large size of these ET and PT components makes HAA more frustrated and hence less effective.
Based on this model we would like to look into systems capable of CO2 reduction and C-H bond activation to assess to what extent their reactivity is tweaked by the local conditions given by the enzymatic microenvironment versus the canonical factors affecting enzymatic activity, such as sterics and specific interactions. The studies may serve as a guide for design for systems capable of effective reduction of CO2 and rational redesign of C-H activating enzymes.

Ámbito científico (EuroSciVoc)

• ciencias naturales › ciencias físicas › termodinámica
• ciencias naturales › ciencias químicas › catálisis
• ciencias naturales › ciencias biológicas › bioquímica › biomoléculas › proteínas › enzima

Palabras clave

• C-H bond activation
• formation
• hydride transfer
• hydrogen atom transfer
• reaction mechanisms
• enzymatic reactions
• thermodynamics

Programa(s)

• HORIZON.1.2 - Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA) PROGRAMA PRINCIPAL
  

Tema(s)

• HORIZON-MSCA-2023-PF-01-01 - MSCA Postdoctoral Fellowships 2023
  

Régimen de financiación

HORIZON-TMA-MSCA-PF-EF - HORIZON TMA MSCA Postdoctoral Fellowships - European Fellowships

Convocatoria de propuestas

HORIZON-MSCA-2023-PF-01

Coordinador

USTAV FYZIKALNI CHEMIE J. HEYROVSKEHO AV CR, v. v. i.

• Aportación neta de la UEn: € 150 438,72
• Dirección: DOLEJSKOVA 2155/3 ; 182 00 PRAHA ; Chequia
• Región: Česko › Praha › Hlavní město Praha
• Tipo de actividad: Other
• Coste total: Sin datos