Das Engineering von Enzymen zur Durchführung von Reaktionen, die in der Natur nicht vorkommen, kann langjährige Herausforderungen in der Welt der synthetischen Chemie angehen, wie z. B. die Veredelung pflanzlicher Öle zu nützlichen Biochemikalien.
Ein Forscherteam hat eine einfache, aber wirkungsvolle Strategie entwickelt, um neue Enzyme mit neuartiger Reaktivität zu schaffen, die wertvolle chemische Verbindungen produzieren können, aufbauend auf ihrer früheren Arbeit unter Verwendung von Licht, um natürlich vorkommende Enzyme wiederzuverwenden.
Die Studie, erschienen in Naturkatalyse, wurde von Xiaoqiang Huang geleitet, einem ehemaligen Postdoktoranden am Department of Chemical and Biomolecular Engineering (ChBE) der University of Illinois Urbana-Champaign und am Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI), einem vom US-Energieministerium finanzierten Bioenergie-Forschungszentrum . Huang, derzeit Assistenzprofessor an der Nanjing-Universität in China, führte diese Arbeit im Labor von ChBE-Professor Huimin Zhao durch, CABBIs Konversionsthemenleiter und ein Partner des Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB).
In der Studie wurde sichtbares Licht verwendet, um ein gentechnisch verändertes Ketoreduktase-Enzym anzuregen, wodurch eine neuartige biokatalytische Reaktion ermöglicht wurde, die als asymmetrische radikalische konjugierte Addition bekannt ist und durch chemische Katalyse äußerst schwierig zu erreichen ist.
Katalysatoren sind Substanzen, die zur Beschleunigung chemischer Reaktionen eingesetzt werden. In lebenden Organismen katalysieren Proteinmoleküle, sogenannte Enzyme, Reaktionen in einem Prozess, der als Biokatalyse bezeichnet wird. Wissenschaftler haben begonnen, die Biokatalyse zur Synthese wertvoller Verbindungen einzusetzen, da ihre hohe Selektivität es ihnen ermöglicht, Enzyme einzusetzen, um auf spezifische Substrate einzuwirken und Zielprodukte zu erzeugen. Ein weiterer Vorteil ist, dass enzymatische Reaktionen sehr nachhaltig sind. Sie sind relativ kostengünstig, verbrauchen wenig Energie und schaden der Umwelt nur minimal – im Gegensatz zu chemischen Katalysatoren, die normalerweise organische Lösungsmittel, Hitze und hohen Druck benötigen, um zu funktionieren.
Dennoch ist es kompliziert, mit Enzymen zu arbeiten. Sie beschränken sich normalerweise auf die Katalyse von Reaktionen, die in der Natur vorkommen, was bedeutet, dass Wissenschaftler oft Schwierigkeiten haben, den perfekten Biokatalysator für ihre Bedürfnisse aufzuspüren. Zhaos Labor hat sich auf die Steuerung der Biokatalyse mit sichtbarem Licht konzentriert, ein Prozess, der als „Photobiokatalyse“ bekannt ist, um eine neue Enzymreaktivität zu erzeugen. In einer früheren Studie entwickelten Zhao und Huang eine durch sichtbares Licht induzierte Reaktion unter Verwendung eines Enzyms namens En-Reduktase (ER) als Biokatalysator, um hohe Ausbeuten an wertvollen chiralen Carbonylverbindungen herzustellen, die potenzielle Anwendungen für die Herstellung hochwertiger Chemikalien haben.
Die neue Studie baut auf dieser Arbeit auf und verwendet Photobiokatalyse an einer anderen Enzymfamilie – Nicotamid-abhängige Ketoreduktasen, die von Bakterien produziert werden – und einen anderen chemischen Mechanismus, um eine andere Art von chiralen Carbonylverbindungen zu produzieren, die als α-chirale Ester bekannt sind. Durch die Erleuchtung und Evolution der Ketoreduktase erreichte das Team eine enantioselektive biokatalytische radikalische konjugierte Addition vom Giese-Typ, um Fettsäuren in α-chirale Ester umzuwandeln, sagte Zhao.
Enantioselektivität ist der Grad, in dem ein Enantiomer – eines von zwei Molekülen, die Spiegelbilder voneinander sind – bevorzugt in einer chemischen Reaktion produziert wird. Chiralität ist ein grundlegendes Merkmal organischer Verbindungen, das die Eigenschaften von Molekülen stark beeinflusst, und seine Auswirkungen sind in vielen Bereichen, einschließlich Biologie, Medizin und Materialwissenschaften, enorm. Zum Beispiel die vielfältige Stereochemie organischer Moleküle (die räumliche Anordnung von Atomen und ihre Wirkung auf chemische Reaktionen) erhöht nicht nur den Reichtum der biologischen Welt erheblich, sondern spielt auch eine grundlegende Rolle bei vielen biologischen Aktivitäten wie der molekularen Kommunikation, sagte er .
Die Ergebnisse bieten praktische Anwendungen für die Arbeit von CABBI zur Entwicklung von Biokraftstoffen und Biochemikalien aus Feldfrüchten wie Miscanthus, Sorghum und Energierohr anstelle von Erdöl. Die neue biokatalytische Transformation könnte die Fettsäuren, die CABBI aus diesen Pflanzen erzeugt, als Ausgangsmaterialien verwenden, um auf umweltfreundliche Weise wertvolle Bioprodukte wie Inhaltsstoffe für Seifen oder Hautpflegeprodukte zu synthetisieren.
„Obwohl wir kein bestimmtes Produkt für die weitere Anwendung ausgewählt haben, stellt diese Arbeit eine praktische neue Methode bereit, die möglicherweise zur Veredelung von Fettsäuren angewendet werden könnte“, sagte Zhao. „Enzyme sind die Arbeitspferde für die biologische Synthese von Kraftstoffen und Chemikalien aus nachwachsender Biomasse.
„Eine der wichtigsten wissenschaftlichen Veränderungen in der Konversionsforschung von CABBI oder der Bioenergieforschung im Allgemeinen ist das Fehlen bekannter Enzyme mit der gewünschten Aktivität und Substratspezifität für die Synthese von Zielkraftstoffen und -chemikalien. Daher besteht ein dringender Bedarf, neue zu entwickeln Strategien zur Entdeckung oder Konstruktion von Enzymen mit gewünschter Aktivität oder Reaktivität.“
Xiaoqiang Huang et al, Photoinduzierte chemomimetische Biokatalyse für die enantioselektive intermolekulare radikalische konjugierte Addition, Naturkatalyse (2022). DOI: 10.1038/s41929-022-00777-4