As rotas típicas para fazer moléculas per-deuteradas para espalhamento de nêutrons usam métodos químicos que são inadequados para moléculas com grupos funcionais sensíveis, por exemplo, o uso de catalisadores de metal, alta temperatura e alta pressão. Portanto, A Tarefa 5.3 no pacote de trabalho de Deuteração Química do SINE2020 explorou o uso de catalisadores de enzimas que são eficientes, são muito específicas para cada molécula e geram poucos ou nenhum subproduto durante o processo de deuteração.

Os colegas do SINE2020 no ESS na Suécia e no FZJ na Alemanha têm estudado o polímero ácido polilático. O espalhamento de nêutrons é um método ideal para estudar a estrutura e as propriedades do ácido polilático, mas para tornar a análise mais fácil e útil, são necessárias formas deuteradas do polímero.

O ácido polilático é feito de blocos de construção (ou monômeros) de ácido láctico unidos e eles vêm em duas formas que são imagens espelhadas (ou enantiômeros) uma da outra. A biodegradabilidade do polímero pode ser adaptada pela união de uma mistura desses enantiômeros, tornando importante que versões deuteradas de ambos os enantiômeros de ácido lático estejam disponíveis.

Anna Leung e Hanna Wacklin-Knecht, da ESS, fabricaram monômeros de ácido lático deuterado usando enzimas. Estes foram então usados ​​por Andreas Raba e Jürgen Allgaier na FZJ e Klaus Beckerle na RWTH Aachen University para fazer ácido polilático deuterado.

Fazendo ácido láctico

Primeiro, uma versão deuterada do precursor piruvato de sódio foi feita, o que leva cerca de 3 dias. Este é convertido em lactato em uma reação enzimática ao longo de cerca de 10 dias, com a ajuda da enzima Lactato desidrogenase. Assim, é fácil transformar o lactato em ácido láctico. Os diferentes enantiômeros L e D foram feitos usando uma versão específica da enzima Lactato desidrogenase em cada caso.

Deuteração de lipídios

A síntese de ácido lático não era a única coisa que a equipe queria explorar com enzimas. Outro grupo de moléculas interessante para deuterar para técnicas de nêutrons são os lipídios, que o ILL está produzindo biologicamente.

Para construir um lipídio deuterado, você faz o grupo da cabeça e as "pernas" da molécula separadamente e depois os une. Isso geralmente é feito quimicamente, mas talvez as enzimas possam ser úteis para esse processo. As enzimas podem remover as "pernas" uma de cada vez e reconectar versões deuteradas prontas para experimentos com nêutrons.

Anna começou a explorar as enzimas fosfolipases para essa tarefa. Contudo, nao foi facil. Oliver Bogojevic juntou-se ao projeto em 2018, trazendo conhecimento da estrutura e função enzimática e experiência de trabalho com manipulação de enzimas. Ainda, enzimas são coisas desafiadoras para trabalhar e Anna e Oliver estavam constantemente aprendendo coisas por tentativa e erro. As enzimas foram facilmente desnaturadas por altas temperaturas ou mudanças no pH e eles descobriram que algumas enzimas têm especificidade de substrato muito estreita, enquanto outras aceitam uma ampla gama de substratos. As reações precisavam de monitoramento constante e era difícil saber como analisar os produtos em termos de pureza.

Também era complicado aumentar a escala de produção para fazer quantidades maiores, por exemplo. até 100 mg de composto perdeuterado. Isso ocorre porque se você tiver mais material inicial, as áreas de interface onde ocorrem as interações importantes não escalam da mesma maneira, isto é, dobrar o material de partida não duplica automaticamente a área de superfície disponível. A equipe teve que explorar métodos para misturar os reagentes a fim de aumentar as áreas de interface de forma adequada. O trabalho neste projeto continua; a equipe ESS DEMAX ofereceu fosfolipídios deuterados em sua primeira chamada de proposta, emitido no início deste ano.

Apesar dos desafios, Contudo, existem algumas grandes vantagens no uso de enzimas. Eles são muito seletivos, não quimicamente tóxico, reutilizável e o número de etapas necessárias em um processo de síntese é reduzido.

O trabalho realizado para SINE2020 estabeleceu uma metodologia de catálise enzimática, não apenas para essas moléculas, mas deve ser compatível com um grande número de outros substratos e reações enzimáticas. Isso ajudará a expandir o acesso do usuário a uma grande variedade de pequenas moléculas deuteradas de alto valor com aplicações de espalhamento de nêutrons.