Químicos da Universidade Johannes Gutenberg Mainz (JGU) descobriram uma maneira de ampliar o escopo do substrato natural das enzimas, expandindo a gama de reações que elas podem catalisar. A equipe liderada pelo professor Tobias Erb e pelo Dr. Christopher Gregg desenvolveu uma metaloenzima artificial que apresenta promiscuidade catalítica sem precedentes. Os cientistas fundiram um local de ligação ao zinco racionalmente projetado a uma estrutura enzimática existente. Foi demonstrado que esta proteína de fusão catalisa a cicloadição de aziridinas com dióxido de carbono para produzir oxazolidinonas – uma reação que não foi observada na natureza até agora. O estudo, publicado recentemente na renomada revista Nature Chemistry, abre novas possibilidades para o desenho de processos biocatalíticos.
As enzimas são moléculas de proteínas que catalisam reações químicas nos organismos vivos. Eles são altamente seletivos e eficientes, permitindo que reações complexas ocorram sob condições de reação moderadas. No entanto, o âmbito do substrato das enzimas é muitas vezes limitado, o que significa que elas só podem catalisar uma gama estreita de reações.
“Ampliar o repertório catalítico de enzimas é uma meta de longa data em química e biotecnologia”, diz Tobias Erb, professor de Biologia Química e Genética da JGU. “Isso nos permitiria usar enzimas para uma gama mais ampla de reações sintéticas e potencialmente desenvolver novos processos biocatalíticos para a produção de produtos farmacêuticos e outros produtos químicos finos”.
Uma maneira de expandir o escopo do substrato das enzimas é modificá-las através da introdução de mutações ou modificações químicas. No entanto, esta abordagem é muitas vezes tediosa e demorada, e pode ser difícil prever quais modificações levarão à atividade catalítica desejada.
“Queríamos desenvolver uma estratégia mais geral que nos permitisse ampliar a gama catalítica de enzimas de forma racional e eficiente”, explica Christopher Gregg, pesquisador de pós-doutorado no grupo de Erb. “Fomos inspirados pelo fato de que muitas enzimas contêm íons metálicos que são essenciais para sua atividade catalítica”.
Os pesquisadores levantaram a hipótese de que, ao introduzir um local de ligação de metal em uma estrutura enzimática existente, eles poderiam criar uma metaloenzima artificial com uma nova atividade catalítica. Para testar esta hipótese, eles fundiram um local de ligação ao zinco racionalmente projetado a uma estrutura enzimática derivada da enzima corismato mutase.
“Ficamos encantados ao descobrir que a proteína de fusão apresentava uma promiscuidade catalítica sem precedentes”, diz Gregg. “Ele foi capaz de catalisar a cicloadição de aziridinas com dióxido de carbono para produzir oxazolidinonas – uma reação que não foi observada na natureza até agora”.
Os pesquisadores acreditam que sua estratégia também pode ser usada para ampliar o alcance catalítico de outras enzimas. “Atualmente estamos trabalhando na expansão do escopo de nossa metaloenzima artificial para outros tipos de reações”, diz Erb. "Também estamos explorando o uso de outros íons metálicos e estruturas enzimáticas."
O estudo, publicado na Nature Chemistry em 20 de fevereiro de 2023, abre novas possibilidades para o desenho de processos biocatalíticos. Ao expandir a gama catalítica de enzimas, poderá ser possível desenvolver métodos mais eficientes e ecológicos para a produção de uma variedade de produtos químicos.
