Primeira enzima artificial com os locais catalíticos não-biológicos criados

Um estudo novo publicou na catálise da natureza do jornal o 10 de fevereiro de 2020, relata a criação de uma enzima artificial nova de dois componentes, ambos os não-biológicos na origem. Este evento marca o primeiro tal catalizador biológico bem sucedido para conter um local activo não-biológico. O estudo mostra que este tipo de combinação sinérgico de um ácido aminado não encontrado na natureza com um catalizador cobre-baseado é capaz da acção catalítica poderosa, ao contrário da maioria outras de enzimas artificiais.

Por que são as enzimas importantes?

As enzimas são as proteínas biológicas que catalisam uma escala das reacções químicas sob as condições suaves de um organismo vivo. Isto é, podem ser activados em temperaturas e em pressões normais. Ao contrário, a maioria de catalizadores industriais actuam somente na temperatura e pressão extrema, assim como solventes ou metais venenosos.

O problema com utilização somente de enzimas para a catálise é que não estão disponíveis para todas as reacções químicas. A reacção moderna é fazê-la se não está lá. Uma maneira de fazer isto é mudar uma enzima já existente de modo que trabalhe. Outra é criar uma enzima nova.

Esta ilustração mostra a estrutura da proteína de LmrR (verde), com os grupos catalíticos adicionados que ligam à carcaça. | Ilustração Reuben Leveson-Gower
Esta ilustração mostra a estrutura da proteína de LmrR (verde), com os grupos catalíticos adicionados que ligam à carcaça. | Ilustração Reuben Leveson-Gower

O grupo catalítico

A edição com a primeira aproximação, de acordo com os pesquisadores, é que envolve reduzir a capacidade da enzima. Um deles, Gerard Roelfes, diz, “as enzimas naturais evoluídas para catalisar reacções específicas. Adaptar-se exige um tipo da devolução da enzima. É por isso nós abrimos caminho a criação de enzimas novas, não naturais.”

As enzimas devem frequentemente sua actividade catalítica alta à maneira que as correntes laterais catalíticas são colocadas dentro de um bolso proteína-obrigatório. Os cientistas tentaram conseqüentemente jogar ao redor com o bolso obrigatório, através das variações genetically induzidas no posicionamento do ácido aminado não natural e conseqüentemente de sua corrente lateral. Encontraram que diversas mutações poderiam aumentar o retorno da enzima em 100 vezes.

A primeira enzima que sintetizou era uma que pode formar hydrazones não naturais. É baseada em uma molécula biológica chamada LmrR, que é basicamente um factor bacteriano da transcrição, sem actividade de enzima. É dada forma como uma filhós com um grande poro central que serva como uma base para ligar moléculas hidrofóbicas lisas.

Em 2018, esta proteína foi alterada pela inserção do p-aminophenylalanine não natural do ácido aminado, que no ponto se transformou uma enzima. Este ácido aminado contem uma corrente lateral da anilina que seja responsável para a catálise.

O sidechain

O sidechain anexa-se à proteína de LmrR, pelo que são chamadas ligações supramoleculares - isto é, ligações formadas em conseqüência das interacções da enzima com o factor da transcrição. Os pesquisadores explicam, “sua posição são determinados pela interacção com a proteína. Desta posição, nós determinamos onde o p-aminophenylalanine deve ser introduzido na proteína para criar um local activo. De minha experiência na química orgânica, eu conheci o serviço público potencial desta corrente lateral da anilina para a catálise e previ que seria possível a combinar com a catálise de cobre.”

Usando esta ideia, os pesquisadores construíram uma enzima nova que tivesse a actividade altamente selectiva para a adição de Michael.

Esta vez ao redor, os pesquisadores adaptaram esta mesma proteína, mas por outro lado adicionaram-na no complexo do cobre à proteína bacteriana, antes de introduzir o p-aminophenylalanine. A corrente da anilina do último combinou com o cobre para actuar como um catalizador poderoso para esta reacção. Revista é um catalizador transitório conhecido do metal devido à presença de estados de oxidação variáveis, permitindo que aceitem e doem elétrons facilmente.

Both of these locais cooperam para catalisar os sócios da reacção para a reacção de adição de Michael, uma reacção orgânica comum que seja usada para criar ligações entre átomos de carbono. Contudo, apenas pôr ambos eles em uma molécula não trabalha, porque se neutralizam em distâncias demasiado próximas. Diz Roelfes, “elas que ambos têm que estar na posição direita para catalisar a eficientemente e selectivamente esta reacção.”

Evidentemente, a enzima é relativamente lenta. Roelfes explica, “a enzima não é ainda rápido bastante para o uso prático mas, com técnicas padrão tais como a evolução dirigida, este poderia ser melhorado.”

O conceito

A coisa que importante conseguiram é que mostraram uma prova de conceito. Dois abiological ou os catalizadores não naturais foram reunidos pela primeira vez para construir uma enzima completamente nova. Sentem que este poderia servir como um launchpad para a síntese de muitos tipos diferentes de enzimas novas.

A importância da técnica é que estêve projectada ser usada por químicos ordinários, embora envolve métodos da biologia molecular para a incorporação dos ácidos aminados não naturais. Isto tornou possível para que a equipe continue a produzir enzimas sintéticas novas.

O uso principal de ácidos aminados não naturais na síntese da enzima era até agora tentar explicar os mecanismos atrás de suas propriedades catalíticas, e compreender como a função da enzima foi ligada a sua estrutura molecular. Roelfes e seus pesquisadores expandiram este para incluir o uso de ácidos aminados novos através do código genético, dentro das enzimas. Diz, “a, a geração de enzimas da novo-à-natureza é-mim a opção a mais emocionante.” A adição de ácidos aminados não naturais a uma proteína para criar uma enzima nova podia ser adotada para fazer muito mais, cobrindo a escala completa de reacções químicas padrão. Isto mudaria a face de reacções da química, fazendo as mais a favor do meio ambiente e igualmente reduzindo as entradas de 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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