Οι χημικοί δείχνουν ότι η καταλυτική περιοχή των ενζύμων μπορεί να διευρυνθεί

Οι χημικοί στο Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg Mainz (JGU) έχουν ανακαλύψει έναν τρόπο να διευρύνουν το φυσικό πεδίο εφαρμογής των ενζύμων, επεκτείνοντας το φάσμα των αντιδράσεων που μπορούν να καταλύουν. Η ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Tobias Erb και τον Dr. Christopher Gregg ανέπτυξε ένα τεχνητό μεταλλοενζύμα που εμφανίζει πρωτοφανή καταλυτική αταξία. Οι επιστήμονες συγχώρισαν μια θέση δέσμευσης ψευδαργύρου με ορθολογικά σχεδιασμένο σε ένα υπάρχον ικρίωμα ενζύμου. Αυτή η πρωτεΐνη σύντηξης αποδείχθηκε ότι καταλύει την κυκλοπροσύνη αζιριδινών με διοξείδιο του άνθρακα για να αποδώσει οξαζολιδιονόνες - μια αντίδραση που δεν έχει παρατηρηθεί στη φύση μέχρι στιγμής. Η μελέτη, η οποία δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο διάσημο περιοδικό Nature Chemistry, ανοίγει νέες δυνατότητες για το σχεδιασμό βιοκαταλυτικών διεργασιών.

Τα ένζυμα είναι μόρια πρωτεΐνης που καταλύουν τις χημικές αντιδράσεις σε ζωντανούς οργανισμούς. Είναι εξαιρετικά επιλεκτικές και αποτελεσματικές, επιτρέποντας τις πολύπλοκες αντιδράσεις να εμφανίζονται υπό ήπια συνθήκες αντίδρασης. Ωστόσο, το πεδίο εφαρμογής των ενζύμων είναι συχνά περιορισμένο, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν μόνο να καταλύουν ένα στενό φάσμα αντιδράσεων.

"Η διεύρυνση του καταλυτικού ρεπερτορίου των ενζύμων είναι ένας μακροχρόνιος στόχος στη χημεία και τη βιοτεχνολογία", λέει ο Tobias Erb, καθηγητής χημικής βιολογίας και γενετικής στο JGU. "Αυτό θα μας επέτρεπε να χρησιμοποιούμε ένζυμα για ένα ευρύτερο φάσμα συνθετικών αντιδράσεων και ενδεχομένως να αναπτύξουμε νέες βιοκαταλυτικές διεργασίες για την παραγωγή φαρμακευτικών προϊόντων και άλλων λεπτών χημικών ουσιών".

Ένας τρόπος για την επέκταση του πεδίου του υποστρώματος των ενζύμων είναι να τα κατασκευάσουμε με την εισαγωγή μεταλλάξεων ή χημικών τροποποιήσεων. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση είναι συχνά κουραστική και χρονοβόρα και μπορεί να είναι δύσκολο να προβλεφθεί ποιες τροποποιήσεις θα οδηγήσουν στην επιθυμητή καταλυτική δραστηριότητα.

"Θέλαμε να αναπτύξουμε μια γενικότερη στρατηγική που θα μας επέτρεπε να διευρύνουμε την καταλυτική περιοχή των ενζύμων με ορθολογικό και αποτελεσματικό τρόπο", εξηγεί ο Christopher Gregg, μεταδιδακτορικός ερευνητής στην ομάδα του ERB. "Είμαστε εμπνευσμένοι από το γεγονός ότι πολλά ένζυμα περιέχουν μεταλλικά ιόντα που είναι απαραίτητα για την καταλυτική τους δραστηριότητα".

Οι ερευνητές υποθέτουν ότι με την εισαγωγή μιας θέσης δέσμευσης μετάλλων σε ένα υπάρχον ικριωμένο ικρίωμα, θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ένα τεχνητό μεταλλοενζύμμα με μια νέα καταλυτική δραστικότητα. Για να δοκιμάσουν αυτήν την υπόθεση, συγχώρισαν μια θέση δέσμευσης ψευδαργύρου με ορθολογικά σχεδιασμένο σε ένα ικρίωμα ενζύμου που προέρχεται από την ενζυμική chorismate mestase.

"Ήμασταν στην ευχάριστη θέση να διαπιστώσουμε ότι η πρωτεΐνη σύντηξης εμφάνισε πρωτοφανή καταλυτική αταξία", λέει ο Gregg. "Ήταν σε θέση να καταλύσει την κυκλική φορτίο αζιριδινών με διοξείδιο του άνθρακα για να αποδώσει οξαζολιδιονόνες - μια αντίδραση που δεν έχει παρατηρηθεί στη φύση μέχρι στιγμής".

Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η στρατηγική τους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να διευρύνει και την καταλυτική περιοχή άλλων ενζύμων. "Αυτή τη στιγμή εργαζόμαστε για την επέκταση του πεδίου εφαρμογής του τεχνητού μεταλλοενζύμου μας σε άλλους τύπους αντιδράσεων", λέει ο ERB. "Εξετάζουμε επίσης τη χρήση άλλων μεταλλικών ιόντων και ενζυμικών ικριωμάτων".

Η μελέτη, η οποία δημοσιεύθηκε στη Χημεία της Φύσης στις 20 Φεβρουαρίου 2023, ανοίγει νέες δυνατότητες για το σχεδιασμό βιοκαταλυτικών διεργασιών. Με την επέκταση της καταλυτικής περιοχής των ενζύμων, μπορεί να είναι δυνατή η ανάπτυξη αποτελεσματικότερων και φιλικών προς το περιβάλλον μεθόδους για την παραγωγή μιας ποικιλίας χημικών ουσιών.