Químicos de Princeton descobriram uma maneira de fazer uma enzima que ocorre naturalmente assumir uma nova, papel artificial, que tem implicações significativas para a química moderna, incluindo a produção farmacêutica. O trabalho deles aparece no jornal Química da Natureza .

"Nós descobrimos uma maneira completamente nova de fazer com que as enzimas façam uma reação não natural, "disse Todd Hyster, um professor assistente de química. "Uma perspectiva tradicional diz que as enzimas farão apenas uma coisa. Este artigo mostra que isso pode não ser verdade para todas as enzimas. Mais importante, a estratégia descrita neste artigo pode ser potencialmente aplicada a outras famílias de enzimas, o que significa que seremos capazes de usar essa abordagem para inventar reações enzimáticas completamente novas. Acho que isso tem o potencial de alterar a maneira como construímos moléculas. "

As enzimas são os catalisadores da natureza, as chaves para fazer reações bioquímicas críticas acontecerem com rapidez suficiente para sustentar a vida. Químicos orgânicos exploraram isso por mais de 100 anos, mas até agora, seu uso foi limitado, já que as enzimas individuais geralmente são capazes de catalisar apenas uma única reação.

Agora, os pesquisadores do laboratório de Hyster removeram uma enzima de seu ambiente natural, adicionou alguns novos ingredientes, e conseguiu fazê-lo catalisar um tipo diferente de reação química - onde teve um desempenho surpreendentemente bom.

"Todd está descobrindo habilidades ocultas no vasto repertório de química da biologia, alguns dos quais podem não ser úteis para a biologia, mas serão muito úteis para nós, "disse Frances Arnold, o Professor Linus Pauling de Engenharia Química, Bioengenharia e Bioquímica no Instituto de Tecnologia da Califórnia, que não esteve envolvido nesta pesquisa.

"Ele está mostrando que as enzimas são capazes de muitos feitos, "disse Arnold, que se formou em Princeton em 1979. "Tudo o que você precisa fazer é fazer as perguntas certas."

A chave era simplificar a compreensão de como uma enzima catalisa uma reação, Hyster disse.

"Acho que sempre fico surpreso que nossa abordagem simplificada para a catálise enzimática realmente funcione, "Hyster disse." Como alunos, aprendemos que as enzimas são catalisadores incrivelmente complicados e específicos. ... Cada vez que descobrimos que eles são capazes de fazer algo completamente novo que a natureza nunca pretendeu, é surpreendente e emocionante. "

Em sua reação, os pesquisadores adicionaram uma pequena quantidade de um corante fotoexcitável cuidadosamente selecionado à enzima e a inundaram com luz verde. Ao fazer isso, eles reuniram dois ramos geralmente não relacionados da química, observou Kyle Biegasiewicz, um associado de pesquisa de pós-doutorado no laboratório de Hyster e um dos dois co-autores do artigo.

"Nós descobrimos um casamento incrivelmente emocionante de catálise enzimática (biocatálise) e catálise fotoredox, "Biegasiewicz disse.

Para químicos, obter mais da reação que você deseja e menos da reação que você não deseja é conhecido como "seletividade". As enzimas são muito mais "seletivas" do que a maioria dos catalisadores de pequenas moléculas, e essa nova técnica permite que os cientistas tirem proveito disso para suas próprias reações desejadas. "Significativamente, esta nova transformação mostra altos níveis de seletividade para uma classe de reações que antes eram muito difíceis de controlar, "Hyster disse.

Em essência, sua descoberta permite uma nova abordagem "plug-and-play", usando enzimas para ativar uma nova reatividade catalítica, que tem muitas implicações interessantes, Biegasiewicz disse. "Embora eu não possa dar detalhes sobre os projetos em andamento no grupo, Eu informaria a comunidade sintética para ficar atento - as novidades são muito legais! "

Esta nova descoberta é outro aspecto da fotocatálise de luz visível que está transformando a química moderna, Hyster disse.

“O campo da catálise foi revolucionado na última década pelo desenvolvimento de métodos que utilizam luz, "disse ele." Princeton tem sido realmente um piloto nesta área. Professores de química de Princeton [David] MacMillan, [Abigail] Doyle e [Robert] Knowles usam luz para fazer coisas realmente incríveis usando catalisadores de pequenas moléculas. Mostramos que a utilidade da luz não se limita a catalisadores de pequenas moléculas; também pode expandir os tipos de coisas que podemos fazer com enzimas. Eu acho isso muito legal. "

A ideia para esta via de pesquisa veio de seguir "as migalhas de pão" em pesquisas anteriores, disse Simon Cooper, um estudante de pós-graduação no laboratório de Hyster e um co-autor no artigo. Outros cientistas demonstraram que a exposição à luz ultravioleta causou uma mudança significativa no comportamento de uma molécula abundante, fosfato de dinucleotídeo de nicotinamida adenina (NADPH), que a equipe de Hyster adicionou à enzima junto com o corante fotossensível.

"Quando exposto à luz ultravioleta, O NADPH pode passar da transferência de dois elétrons e um próton em uma única etapa para a transferência primeiro de um elétron e, em seguida, de um átomo de hidrogênio (um elétron e um próton), "Cooper disse." Nós pensamos que se pudéssemos tirar proveito dessa nova via dentro de uma enzima, valiosas novas reações aguardavam descoberta. ... O aspecto mais importante das descobertas neste artigo é controlar a transferência de um átomo de hidrogênio para criar apenas uma das duas formas possíveis de imagem em espelho de uma molécula. Este tipo de seleção entre duas formas de imagem de espelho tem sido tradicionalmente muito difícil de conseguir para a transferência de um átomo de hidrogênio, e os métodos divulgados aqui são uma solução para este desafio. "

Cooper acrescentou:"À medida que avançamos no século 21, se uma crescente população mundial deseja experimentar o conforto do que consideramos natural no mundo desenvolvido, precisaremos de formas mais econômicas e sustentáveis ​​de catálise química para fornecer muitos dos produtos que podem ser atribuídos ao modo de vida moderno. Os métodos divulgados em nosso artigo começarão a pavimentar o caminho, possivelmente."

"Nossa química pode parecer nicho ou esotérica, mas esses exemplos servem apenas como provas de conceito para o que pode se tornar métodos poderosos para fazer novas moléculas que podem ter impacto social tangível:produtos farmacêuticos, agroquímicos, fragrâncias e a lista continua, "disse Megan Emmanuel, um estudante de pós-graduação no laboratório de Hyster e um co-autor no artigo. "A implicação de que nosso trabalho pode, um dia, ser usado para fazer contribuições significativas para a vida das pessoas é emocionante. "

O papel, "Promiscuidade catalítica habilitada pela catálise fotoredox em oxidorredutases dependentes de nicotinamida" por Kyle Biegasiewicz, Simon Cooper, Megan Emmanuel, David Miller e Todd Hyster, foi publicado em Química da Natureza em 11 de junho, 2018.