Primo enzima artificiale con i siti catalitici non biologici creati

Un nuovo studio ha pubblicato nella catalisi della natura del giornale il 10 febbraio 2020, riferisce la creazione di nuovo enzima artificiale da due componenti, entrambi i non biologici in origine. Questo evento traccia il primo tale riuscito catalizzatore biologico per contenere un sito attivo non biologico. Lo studio indica che questo tipo di combinazione sinergica di amminoacido non trovato in natura con ad un catalizzatore basato a rame è capace di atto catalitico potente, a differenza della maggior parte degli altri enzimi artificiali.

Perché sono gli enzimi importanti?

Gli enzimi sono proteine biologiche che catalizzano un intervallo delle reazioni chimiche nelle condizioni miti di un organismo vivente. Cioè possono essere attivati alle temperature ed alle pressioni normali. Al contrario, la maggior parte dei catalizzatori industriali agiscono soltanto alla temperatura e pressione estrema come pure solventi o metalli tossici.

Il problema con usando soltanto gli enzimi per la catalisi è che non sono disponibili per tutte le reazioni chimiche. La reazione moderna è di farla se non è là. Un modo fare questo è di cambiare un enzima già attuale in modo che funzioni. Un altro è di creare un nuovo enzima.

Questa illustrazione mostra la struttura della proteina di LmrR (verde), con i gruppi catalitici aggiunti che legano al substrato. | Illustrazione Reuben Leveson-Gower
Questa illustrazione mostra la struttura della proteina di LmrR (verde), con i gruppi catalitici aggiunti che legano al substrato. | Illustrazione Reuben Leveson-Gower

Il gruppo catalitico

L'emissione con il primo approccio, secondo i ricercatori, è che comprende diminuire la capacità degli enzimi. Un di loro, Gerard Roelfes, dice, “enzimi naturali mutevoli per catalizzare le reazioni specifiche. L'adattamento richiede un genere di devolvere dell'enzima. Ecco perché abbiamo aperto la strada alla creazione di nuovi, enzimi artificiali.„

Gli enzimi devono spesso la loro alta attività catalitica al modo che le catene laterali catalitiche sono collocate all'interno di una casella dell'proteina-associazione. Gli scienziati quindi hanno provato a bighellonare con la casella obbligatoria, via le variazioni geneticamente indotte nel posizionamento dell'amminoacido artificiale e quindi della sua catena laterale. Hanno trovato che parecchie mutazioni potrebbero aumentare il volume d'affari degli enzimi entro 100 volte.

Il primo enzima che ha sintetizzato era uno che può formare gli idrazoni artificiali. È basato su una molecola biologica chiamata LmrR, che è basicamente un fattore di trascrizione batterico, senza attività dell'enzima. È a forma di come una ciambella con un grande poro centrale che servisce da base collegare le molecole idrofobe piane.

Nel 2018, questa proteina è stata modificata tramite l'inserzione del p-aminophenylalanine artificiale dell'amminoacido, cui a punto si è trasformato in in un enzima. Questo amminoacido contiene una catena laterale dell'anilina che è responsabile della catalisi.

La catena laterale

La catena laterale si fissa alla proteina di LmrR, da che cosa sono chiamati obbligazioni sovramolecolari - cioè, obbligazioni formate come conseguenza delle interazioni degli enzimi con il fattore di trascrizione. I ricercatori spiegano, “la sua posizione è determinato dall'interazione con la proteina. Da questa posizione, abbiamo determinato dove il p-aminophenylalanine dovrebbe essere inserito nella proteina per creare un sito attivo. Dalla mia esperienza in chimica organica, ho conosciuto l'utilità potenziale di questa catena laterale dell'anilina per la catalisi ed ho preveduto che fosse possibile combinarla con la catalisi di rame.„

Facendo uso di questa idea, i ricercatori hanno costruito un nuovo enzima che ha avuto attività altamente selettiva per l'aggiunta di Michael.

Questa volta intorno, i ricercatori hanno adattato questa stessa proteina, ma d'altra parte hanno aggiunto nel complesso del rame alla proteina batterica, prima dell'inserimento del p-aminophenylalanine. La catena dell'anilina dell'ultimo si è combinata con rame per fungere da catalizzatore potente per questa reazione. Rami è un catalizzatore temporaneo ben noto del metallo dovuto la presenza di stati di ossidazione variabili, permettendoli di accettare facilmente e donare gli elettroni.

Entrambi siti cooperano per catalizzare i partner della reazione per la reazione di aggiunta di Michael, una reazione organica comune che è usata per creare le obbligazioni fra gli atomi di carbonio. Tuttavia, appena mettere entrambi in una molecola non funziona, perché si neutralizzano alle distanze troppo vicine. Dice Roelfes, “essi che entrambe devono essere nella giusta posizione catalizzare ad efficientemente e selettivamente questa reazione.„

Evidentemente, l'enzima è relativamente lento. Roelfes spiega, “l'enzima non è ancora abbastanza veloce per uso pratico ma, con le tecniche standard quale evoluzione diretta, questo potrebbe essere migliorato.„

Il concetto

La cosa importante che hanno raggiunto è che hanno mostrato un proof of concept. Due abiological o i catalizzatori artificiali sono stati riuniti per la prima volta per costruire un enzima completamente nuovo. Ritengono che questo potrebbe servire da launchpad per la sintesi di molti tipi differenti di nuovi enzimi.

L'importanza della tecnica è che è stata destinata per essere usata dai chimici ordinari, sebbene comprenda i metodi di biologia molecolare per l'incorporazione degli amminoacidi artificiali. Ciò ha permesso affinchè il gruppo continui a produrre i nuovi enzimi sintetici.

L'uso principale degli amminoacidi artificiali nella sintesi degli enzimi finora era di provare a delucidare i meccanismi dietro i loro beni catalitici ed a capire come la funzione degli enzimi è stata collegata alla sua struttura molecolare. Roelfes ed i suoi ricercatori hanno espanto questo per comprendere l'uso degli amminoacidi novelli via il codice genetico, all'interno degli enzimi. Dice, “a me, la generazione di enzimi della nuovo--natura è l'opzione più emozionante.„ L'aggiunta degli amminoacidi artificiali ad una proteina per creare un nuovo enzima ha potuto essere adottata per fare molto, coprendo l'intervallo completo delle reazioni chimiche standard. Ciò cambierebbe la fronte di taglio delle reazioni di chimica, rendente li più rispettose dell'ambiente ed anche diminuente gli assorbimenti di energia.

Journal reference:

Drienovská, I., Roelfes, G. Expanding the enzyme universe with genetically encoded unnatural amino acids. Nat Catal (2020). https://doi.org/10.1038/s41929-019-0410-8

Dr. Liji Thomas

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Dr. Liji Thomas

Dr. Liji Thomas is an OB-GYN, who graduated from the Government Medical College, University of Calicut, Kerala, in 2001. Liji practiced as a full-time consultant in obstetrics/gynecology in a private hospital for a few years following her graduation. She has counseled hundreds of patients facing issues from pregnancy-related problems and infertility, and has been in charge of over 2,000 deliveries, striving always to achieve a normal delivery rather than operative.

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