Forscher erforschen Enzyme, die ein Kation und keine Sauerstoffaddition verwenden, um Reaktionen anzutreiben

Forscher der North Carolina State University und der University of Texas at Austin haben die Struktur eines substratgebundenen Eisen-2-Oxoglutarat (Fe/2OG)-Enzyms definiert, um zu untersuchen, ob diese Enzyme zur Herstellung einer breiten Palette von Molekülen verwendet werden könnten. Sie untersuchten das aktive Zentrum des Enzyms, um seine Fähigkeit zur Bindung an verschiedene Substrate zu bestimmen. Außerdem sahen sie, dass Fe/2OG-Enzyme eher Kationen – hochreaktive Spezies – verwenden, um die Entsättigung während der Katalyse voranzutreiben, als die Zugabe von Sauerstoff. Die Arbeit, erschienen in Naturkommunikationkönnte zur Verwendung von Fe/2OG-Enzymen bei der Herstellung einer breiten Palette wertvoller Moleküle führen.

Enzyme der Fe/2OG-Familie kommen natürlich vor – sie kommen in allem vor, von Bakterien bis hin zu Pflanzen und Tieren. Als solche haben diese Enzyme das Potenzial, als grünere, effizientere Plattform zur Herstellung von Molekülen wie Vinylisonitrilen mit antibiotischen Eigenschaften verwendet zu werden. Die Wege, auf denen Fe/2OG-Enzyme diese Moleküle erzeugen, sind jedoch kaum bekannt.

„Das Endspiel besteht darin, zu verstehen, wie die Enzyme dieser Familie bestimmte Moleküle erzeugen, damit wir möglicherweise einen natürlichen Prozess huckepack nehmen können, den die derzeitige Chemie nicht replizieren kann“, sagt Wei-chen Chang, außerordentlicher Professor für Chemie an der North Carolina State University und Co -korrespondierender Autor eines Artikels, der die Arbeit beschreibt. „Also haben wir uns ein paar verschiedene Enzyme innerhalb der Fe/2OG-Familie angesehen, um zu sehen, wie sie mit demselben Substrat oder Molekül, an das sie binden, unterschiedliche Umwandlungen durchführen.“

Indem sie sich darauf konzentrieren, wie das Enzym an ein bestimmtes Substrat bindet, können die Forscher bestimmen, welche anderen Substrate vom Enzym verwendet werden könnten, eine effizientere Methode zur Bestimmung potenzieller Reaktionen und Produkte als Experimente.

Das Forschungsteam konzentrierte sich auf zwei Fe/2OG-Enzyme – PvcB und PlsnB – und verglich ihre Strukturen und die von ihnen hergestellten Produkte. Sie identifizierten Bindungsstellen auf beiden Enzymen, aber als es darum ging zu untersuchen, wie das Enzym seine Transformationen durchführte, machten sie einen überraschenden Fund.

„Normalerweise läuft die Art und Weise, wie Fe/2OG-Enzyme katalysieren oder ein neues Produkt erzeugen, folgendermaßen ab: Das Enzym bindet an das Substrat, ein einzelnes Sauerstoffatom aus molekularem Sauerstoff (O2) wird in das Substrat eingeführt, und die Sauerstoffaddition treibt die Reaktion an. “, sagt Chang. „Diesen Prozess nennt man Hydroxylierung.

„Aber bei diesen Enzymen wird die Umwandlung oder Reaktion nicht durch Hydroxylierung angetrieben, sondern durch ein reaktives Kation, das die nachfolgenden Desaturierungen auslöst, bei denen neue Bindungen eingeführt werden.“

Die beiden untersuchten Fe/2OG-Enzyme (PIsnB und PvcB) nutzten eine grundlegend unterschiedliche Desaturierung, um unterschiedliche Produkte aus demselben Substrat zu erzeugen.

„Jetzt wissen wir, wie diese Enzyme Transformationen katalysieren und haben die Bindungsstellen gefunden. Wir haben eine Grundlage, um zu bestimmen, was sie in Bezug auf Reaktionen bewirken können“, sagt Chang. „Wir können auch die besten Substrate empfehlen und vorhersagen, um zielgerichtete Produkte zu erhalten.“