آنزیم مهندسی شده واکنش ارگانیک آرام بخش را سرعت می بخشد | پژوهش

یک آنزیم مهندسی شده برای انجام یک واکنش آلی بسیار کند ایجاد شده است و عملکرد آن بسیار فراتر از عملکرد بسیاری از کاتالیزورهای معمولی است.

این توسعه تکنیک‌های بیوشیمیایی را برای واکنش موریتا-بیلیس-هیلمن (MBH) اعمال می‌کند، که برای ایجاد پیوند کربن-کربن بین یک آلکن و الکتروفیل کربن، مانند یک آلدئید، استفاده می‌شود و در نتیجه محصولاتی را ایجاد می‌کند که می‌توانند در سنتزهای بعدی استفاده شوند.

اما اگرچه در سنتز آلی بسیار مفید است، واکنش MBH با کاتالیزورهای موجود – معمولاً نوکلئوفیل‌های مولکولی کوچک مانند ایمیدازول – بسیار کند است که اغلب روزها و گاهی هفته‌ها طول می‌کشد تا مقدار مفیدی از یک محصول تولید شود. در مقایسه، آنزیم جدید مهندسی شده – با نام BH32.14 – در قدر سریعتر است و همچنین انتی انتخابی است.

نتایج نشان می‌دهد که حتی غلظت‌های بسیار پایین آنزیم BH32.14 که به واکنش MBH اضافه می‌شود، تا حد زیادی از بارگذاری‌های بزرگ‌تر کاتالیزورهای موجود بهتر عمل می‌کند. آنتونی گرین، استاد شیمی آلی و بیولوژیکی در دانشگاه منچستر و نویسنده ارشد مطالعه جدید، می‌گوید در مقابل، واکنش فقط چند ساعت طول می‌کشد تا چند روز.

گرین می گوید: کاتالیزورهای معمولی که برای این واکنش استفاده می کنید، هسته دوست های کوچک هستند. زیبایی زیست شناسی این است که اگر بتوانید آنزیمی را مهندسی کنید یا پروتئینی را برای انجام این واکنش طراحی کنید، شتاب سرعت در مقایسه با هر چیزی که با شیمی مولکول های کوچک به دست آمده است قابل توجه است.

آنزیم جدید از پروتئینی با طراحی محاسباتی به نام BH32 که چند سال پیش توسط تیمی به رهبری دیوید بیکر بیوشیمیدان دانشگاه واشنگتن در سیاتل ساخته شد، ایجاد شد. بیکر یکی از نویسندگان جدیدترین مطالعه است.

گرین توضیح می دهد که تیم بیکر توانست با موفقیت آنزیم هایی را برای واکنش MBH طراحی کند، اما آنزیم های به دست آمده تنها ضعیف عمل کردند. گرین می گوید: «آنها از نظر کاتالیزوری توانمند بودند، اما زیست کاتالیزور قابل دوام نبودند.

برای ایجاد آنزیم BH32.14، محققان به رهبری گرین «بهینه‌سازی تکاملی» را برای آنزیم‌های توسعه‌یافته توسط تیم بیکر اعمال کردند – فرآیندی برای استفاده از فناوری‌های مهندسی پروتئین، اتوماسیون و غربالگری با توان بالا برای بهبود مکرر آنزیم، که تقریباً طول کشید. دو سال تا تکمیل اکنون که آنزیم به طور کامل مشخص شده است، می توان آن را با ایجاد یک ساختار DNA برای آن و بیان آن در باکتری ها، به سرعت در مقادیر مفید ساخت.

BH32.14 یکی از پیچیده ترین آنزیم های طراحی شده است که تا به امروز در شیمی آلی اعمال شده است. این توسعه نوید مهندسی آنزیم ها و پروتئین های دیگر را به عنوان کاتالیزور در فرآیندهای چند مرحله ای مانند واکنش MBH نشان می دهد. محققان می‌نویسند: «مکانیسم‌های کاتالیزوری جدید را می‌توان در پروتئین‌ها مهندسی کرد تا تحولات شیمیایی چالش‌برانگیزتر را تسریع بخشد».

تیم باگ، استاد شیمی بیولوژیکی در دانشگاه وارویک که در این مطالعه شرکت نداشت، می‌گوید که نتایج تأیید می‌کند که BH32.14 در مقایسه با کاتالیزورهای مولکول کوچک موجود عملکرد مطلوبی دارد. او می‌گوید: «آنزیم‌های مهندسی‌شده به‌دست‌آمده می‌توانند واکنش MBH را با استفاده از طیف وسیعی از سوبستراها، با عملکرد خوب و مازاد انانتیومر بالا، کاتالیز کنند».

او می‌گوید رویکردی که گرین و همکارانش اتخاذ کرده‌اند، پتانسیل مهندسی آنزیم را برای کشف کاتالیزورهای جدیدی که در طبیعت یافت نمی‌شوند، نشان می‌دهد، رویکردی که «می‌تواند برای رویکردهای شیمی سبز برای سنتز استفاده شود».

تصحیح: در 20 ژانویه 2022 عنوان و خط آغازین مقاله به روز شد تا عملکرد شناخته شده آنزیم مهندسی شده را در برابر سایر کاتالیزورها بهتر منعکس کند. قسمتی از پیچیدگی آنزیم و تولید آن نیز روشن شد. سمت منسوب به پروفسور گرین نیز ویرایش شد.