Los químicos de Princeton han encontrado una manera de hacer que una enzima natural adopte una nueva papel artificial, que tiene implicaciones significativas para la química moderna, incluida la producción farmacéutica. Su trabajo aparece en la revista Química de la naturaleza .

"Hemos encontrado una forma completamente nueva de hacer que las enzimas realicen una reacción no natural, "dijo Todd Hyster, un profesor asistente de química. "Una perspectiva tradicional dice que las enzimas solo harán una cosa. Este documento muestra que esto puede no ser cierto para todas las enzimas. Más importante aún, la estrategia descrita en este artículo se puede aplicar potencialmente a otras familias de enzimas, lo que significa que podremos utilizar este enfoque para inventar reacciones enzimáticas completamente nuevas. Creo que esto tiene el potencial de alterar la forma en que construimos moléculas ".

Las enzimas son los catalizadores de la naturaleza, las claves para hacer que las reacciones bioquímicas críticas sucedan lo suficientemente rápido como para mantener la vida. Los químicos orgánicos han explotado esto durante más de 100 años, pero hasta ahora su uso ha sido limitado, ya que las enzimas individuales a menudo solo pueden catalizar una única reacción.

Ahora, los investigadores del laboratorio de Hyster han eliminado una enzima de su entorno natural, agregó algunos ingredientes nuevos, y logró que catalizara un tipo diferente de reacción química, donde se desempeñó sorprendentemente bien.

"Todd está descubriendo habilidades ocultas en el vasto repertorio de química de la biología, algunos de los cuales pueden no ser útiles para la biología pero serán muy útiles para nosotros, "dijo Frances Arnold, el profesor Linus Pauling de Ingeniería Química, Bioingeniería y Bioquímica en el Instituto de Tecnología de California, que no participó en esta investigación.

"Está demostrando que las enzimas son capaces de realizar muchas hazañas, "dijo Arnold, quien se graduó de Princeton en 1979. "Todo lo que tienes que hacer es hacer las preguntas correctas".

La clave fue simplificar su comprensión de cómo una enzima cataliza una reacción, Dijo Hyster.

"Creo que siempre me sorprende que nuestro enfoque simplificado de la catálisis enzimática realmente funcione, ", Dijo Hyster." Como estudiantes, se nos enseña que las enzimas son catalizadores increíblemente complicados y específicos. ... Cada vez que descubrimos que son capaces de hacer algo completamente nuevo que la naturaleza nunca pretendió, es sorprendente y emocionante ".

En su reacción, los investigadores agregaron una pequeña cantidad de un tinte fotoexcitable cuidadosamente seleccionado a la enzima y la inundaron con luz verde. Al hacerlo, reunieron dos ramas de la química generalmente no relacionadas, señaló Kyle Biegasiewicz, un asociado de investigación postdoctoral en el laboratorio de Hyster y uno de los dos primeros coautores del artículo.

"Hemos descubierto un matrimonio increíblemente emocionante de catálisis enzimática (biocatálisis) y catálisis fotorredox, ", Dijo Biegasiewicz.

A los químicos, obtener más de la reacción que desea y menos de una reacción que no se conoce como "selectividad". Las enzimas son mucho más "selectivas" que la mayoría de los catalizadores de moléculas pequeñas, y esta nueva técnica permite a los científicos sacar provecho de eso para sus propias reacciones deseadas. "Significativamente, esta nueva transformación muestra altos niveles de selectividad para una clase de reacciones que antes eran muy difíciles de controlar, "Dijo Hyster.

En esencia, su avance permite un nuevo enfoque "plug-and-play", utilizando enzimas para activar una nueva reactividad catalítica, que tiene muchas implicaciones interesantes, Biegasiewicz dijo. "Si bien no puedo revelar ningún detalle de los proyectos en curso en el grupo, Le informaría a la comunidad sintética que se mantenga al tanto, ¡lo último es realmente genial! "

Este nuevo descubrimiento es otro aspecto de la fotocatálisis de luz visible que está transformando la química moderna. Dijo Hyster.

"El campo de la catálisis se ha revolucionado en la última década por el desarrollo de métodos que utilizan la luz, ", dijo." Princeton realmente ha sido un piloto en esta área. Profesores de química de Princeton [David] MacMillan, [Abigail] Doyle y [Robert] Knowles usan la luz para hacer cosas realmente increíbles usando catalizadores de moléculas pequeñas. Hemos demostrado que la utilidad de la luz no se limita a los catalizadores de moléculas pequeñas; también puede ampliar los tipos de cosas que podemos hacer con las enzimas. Creo que está bastante bien ".

La idea de esta vía de investigación surgió de seguir "las migas de pan" en investigaciones anteriores, dijo Simon Cooper, estudiante de posgrado en el laboratorio de Hyster y coautor del artículo. Otros científicos habían demostrado que la exposición a la luz ultravioleta provocó un cambio significativo en el comportamiento de una molécula abundante, fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADPH), que el equipo de Hyster agregó a la enzima junto con el tinte fotosensible.

"Cuando se expone a la luz ultravioleta, NADPH puede pasar de transferir dos electrones y un protón en un solo paso a transferir primero un electrón y luego un átomo de hidrógeno (un electrón y un protón), "Dijo Cooper." Pensamos que si podíamos aprovechar esta nueva vía dentro de una enzima, valiosas nuevas reacciones aguardaban ser descubiertas. ... El aspecto más importante de los hallazgos de este artículo es controlar la transferencia de un átomo de hidrógeno para crear solo una de las dos posibles formas de imagen especular de una molécula. Este tipo de selección entre dos formas de imagen especular ha sido tradicionalmente muy difícil de lograr para la transferencia de un átomo de hidrógeno, y los métodos descritos aquí son una solución a este desafío ".

Cooper agregó:"A medida que avanzamos en el siglo XXI, Si una población mundial en crecimiento ha de experimentar las comodidades de lo que damos por sentado en el mundo desarrollado, necesitaremos formas de catálisis química más rentables y sostenibles para producir muchos de los productos atribuibles a la forma de vida moderna. Los métodos descritos en nuestro artículo comenzarán a allanar el camino, quizás."

"Nuestra química puede parecer de nicho o esotérica, pero estos ejemplos solo sirven como prueba de concepto de lo que pueden convertirse en métodos poderosos para fabricar nuevas moléculas que pueden tener un impacto social tangible:productos farmacéuticos, agroquímicos, fragancias y la lista continúa, "dijo Megan Emmanuel, estudiante de posgrado en el laboratorio de Hyster y coautor del artículo. "La implicación de que nuestro trabajo puede, Un día, ser utilizado para hacer contribuciones significativas a la vida de las personas es emocionante ".

El papel, "Promiscuidad catalítica habilitada por catálisis fotoredox en oxidorreductasas dependientes de nicotinamida" por Kyle Biegasiewicz, Simon Cooper, Megan Emmanuel, David Miller y Todd Hyster, fue publicado en Química de la naturaleza el 11 de junio 2018.