Dans un étude récemment publiée dans Angewandte Chemie International Edition, des chercheurs du Département de biochimie médicale et de biophysique (MBB) du Karolinska Institutet ont remis en question l’ancien paradigme entourant les isotopes des éléments légers : carbone, hydrogène, azote et oxygène. Ces isotopes sont désormais apparus comme étant plus puissants qu’on ne le pensait.
Traditionnellement, les scientifiques croyaient que les effets isotopiques dans les réactions biochimiques étaient plus ou moins proportionnels à la différence de masse entre les isotopes. Par exemple, une différence de masse de 0,5 % entre les enzymes normales et ultralégères (molécules contenant des isotopes lourds appauvris 13C, 2H, 15N et 18O) ne devrait pas produire un effet cinétique supérieur à 1 %. Cependant, l’étude révèle que l’effet peut être de 250 à 300 %, soit deux ordres de grandeur plus importants que prévu, en fonction de la température.
Les simulations de dynamique moléculaire, largement utilisées dans des milliers de publications scientifiques, ont systématiquement négligé la composition isotopique. Les chercheurs doivent désormais recalibrer leurs résultats, en tenant compte de l’influence cachée des isotopes.
« Les composés isotopiquement purs, tels que les enzymes, ont des propriétés supérieures à celles des composés conventionnels. Cela affecte non seulement la chimie et la biochimie, mais aussi la biologie et éventuellement la médecine », explique Roman Zubarev, professeur et chef du groupe de recherche du groupe Roman Zubarev au MBB. .
Plusieurs domaines de la science et de la technologie peuvent être immédiatement touchés. « Premièrement, les enzymes ultralégères peuvent être immédiatement produites par expression dans E. coli cultivé dans un milieu appauvri en isotopisme, comme nous l’avons fait dans ce travail. Ces enzymes fonctionnent 2 à 3 fois plus vite que les enzymes correspondantes exprimées par le même E. coli mais cultivées. dans les médias normaux.
« Deuxièmement, l’application de l’effet ultraléger en biologie : on peut cultiver des organismes ultralégers et étudier leurs propriétés divergentes. Par exemple, nous avons cultivé C. elegans sur l’ultraléger E. coli et avons constaté qu’ils grandissent plus vite mais vieillissent et meurent plus tôt.
« Troisièmement, le domaine de la séparation des isotopes peut connaître une demande considérablement accrue en matière d’épuisement des isotopes lourds. De nouvelles méthodes, notamment la chromatographie, devront peut-être être développées pour satisfaire cette demande et réduire le coût des composés ultralégers.
« Enfin, les techniques permettant d’analyser les isotopes stables dans les protéines, telles que notre spectrométrie de masse à rapport isotopique à transformée de Fourier, susciteront un intérêt accru », déclare Zubarev.
Plus d’information:
Xuepei Zhang et al, Enzymes ultralégères et ultrarapides, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI: 10.1002/anie.202316488