A engenharia de enzimas para realizar reações não encontradas na natureza pode enfrentar desafios de longa data no mundo da química sintética, como transformar óleos vegetais em bioquímicos úteis.
Uma equipe de pesquisadores desenvolveu uma estratégia simples, mas poderosa, para criar novas enzimas com nova reatividade que podem produzir compostos químicos valiosos, com base em seu trabalho anterior usando luz para reaproveitar enzimas que ocorrem naturalmente.

O estudo, publicado na Nature Catalysis, foi liderado por Xiaoqiang Huang, ex-pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da Universidade de Illinois Urbana-Champaign (ChBE) e no Centro de Bioenergia Avançada e Inovação em Bioprodutos (CABBI), um Centro de Pesquisa em Bioenergia financiado pelo Departamento de Energia dos EUA . Huang, atualmente professor assistente na Universidade de Nanjing na China, realizou este trabalho no laboratório do professor do ChBE Huimin Zhao, líder do tema de conversão do CABBI e afiliado do Instituto Carl R. Woese de Biologia Genômica (IGB).

No estudo, a luz visível foi usada para excitar uma enzima cetoredutase projetada, permitindo uma reação biocatalítica nova na natureza conhecida como adição de conjugado radicalar assimétrico, que é extremamente difícil de alcançar por catálise química.

Catalisadores são substâncias usadas para acelerar reações químicas. Nos organismos vivos, moléculas de proteínas chamadas enzimas catalisam reações em um processo chamado biocatálise. Os cientistas começaram a usar a biocatálise para sintetizar compostos valiosos, pois sua alta seletividade lhes permite implantar enzimas para atuar em substratos específicos e criar produtos-alvo. Outra vantagem é que as reações enzimáticas são altamente sustentáveis. Eles são relativamente baratos, consomem baixos níveis de energia e causam danos mínimos ao meio ambiente – ao contrário dos catalisadores químicos, que normalmente requerem solventes orgânicos, calor e alta pressão para funcionar.

Ainda assim, as enzimas são complicadas de trabalhar. Eles normalmente se limitam a catalisar reações encontradas na natureza, o que significa que os cientistas muitas vezes lutam para rastrear o biocatalisador perfeito para atender às suas necessidades. O laboratório de Zhao se concentrou em direcionar a biocatálise com luz visível, um processo conhecido como "fotobiocatálise", para produzir uma nova reatividade enzimática. Em um estudo anterior, Zhao e Huang desenvolveram uma reação induzida por luz visível usando uma enzima chamada ene-redutase (ER) como biocatalisador para produzir altos rendimentos de compostos carbonílicos quirais valiosos, que têm aplicações potenciais para a produção de produtos químicos de alto valor.

O novo estudo baseia-se nesse trabalho, usando fotobiocatálise em uma família de enzimas diferente - cetoredutases dependentes de nicotamida produzidas por bactérias - e um mecanismo químico diferente para produzir outro tipo de compostos carbonílicos quirais conhecidos como ésteres α-quirais. Através da iluminação e evolução da cetoredutase, a equipe conseguiu uma adição de conjugado radical enantiosseletivo biocatalítico do tipo Giese para transformar ácidos graxos em ésteres α-quirais, disse Zhao.

A enantiosseletividade é o grau em que um enantiômero – um de um par de moléculas que são imagens especulares uma da outra – é preferencialmente produzido em uma reação química. A quiralidade é uma característica fundamental dos compostos orgânicos, que influencia muito as propriedades das moléculas, e suas implicações são enormes em muitas áreas, incluindo biologia, medicina e ciência dos materiais. Por exemplo, a estereoquímica diversificada das moléculas orgânicas (o arranjo espacial dos átomos e seu efeito nas reações químicas) não apenas aumenta significativamente a riqueza do mundo biológico, mas também desempenha um papel profundo em muitas atividades biológicas, como a comunicação molecular, disse ele. .

As descobertas oferecem aplicações práticas para o trabalho da CABBI para desenvolver biocombustíveis e bioquímicos de culturas como miscanthus, sorgo e cana-de-energia em vez de petróleo. A nova transformação biocatalítica pode usar os ácidos graxos que a CABBI está gerando a partir dessas plantas como matéria-prima para sintetizar bioprodutos de valor agregado – como ingredientes para sabonetes ou produtos de cuidados com a pele – de maneira ecologicamente correta.

"Embora não tenhamos como alvo um produto específico para aplicação posterior, este trabalho fornece um novo método prático que poderia ser aplicado para melhorar os ácidos graxos", disse Zhao. "As enzimas são os cavalos de batalha para a síntese biológica de combustíveis e produtos químicos a partir de biomassa renovável.

"Uma das principais mudanças científicas na pesquisa de conversão do CABBI, ou pesquisa em bioenergia em geral, é a falta de enzimas conhecidas com a atividade desejada e especificidade de substrato para a síntese de combustíveis e produtos químicos alvo. Portanto, há uma necessidade urgente de desenvolver novos estratégias para descobrir ou engenharia de enzimas com atividade ou reatividade desejada." + Explorar mais

Pesquisadores lançam luz sobre nova reação enzimática