Las rutas típicas para fabricar moléculas per-deuteradas para la dispersión de neutrones utilizan métodos químicos que no son adecuados para moléculas con grupos funcionales sensibles. por ejemplo, el uso de catalizadores metálicos, alta temperatura y alta presión. Por lo tanto, La Tarea 5.3 del paquete de trabajo de Deuteración Química de SINE2020 exploró el uso de catalizadores enzimáticos que son eficientes, muy específicas de moléculas y generan pocos o ningún subproducto durante el proceso de deuteración.

Los colegas de SINE2020 en la ESS en Suecia y FZJ en Alemania han estado analizando el polímero ácido poliláctico. La dispersión de neutrones es un método ideal para estudiar la estructura y propiedades del ácido poliláctico, pero para que el análisis sea más fácil y útil, se requieren formas deuteradas del polímero.

El ácido poliláctico está hecho de bloques de construcción (o monómeros) de ácido láctico unidos y vienen en dos formas que son imágenes especulares (o enantiómeros) entre sí. La biodegradabilidad del polímero se puede adaptar uniendo una mezcla de estos enantiómeros, lo que hace importante que estén disponibles versiones deuteradas de ambos enantiómeros de ácido láctico.

Anna Leung y Hanna Wacklin-Knecht de ESS han fabricado monómeros de ácido láctico deuterados utilizando enzimas. Luego, Andreas Raba y Jürgen Allgaier en FZJ y Klaus Beckerle en RWTH Aachen University los utilizaron para fabricar ácido poliláctico deuterado.

Hacer ácido láctico

Primero, se hizo una versión deuterada del precursor piruvato de sodio, que tarda unos 3 días. Este se convierte en lactato en una reacción enzimática durante aproximadamente 10 días, con la ayuda de la enzima lactato deshidrogenasa. Entonces es fácil convertir el lactato en ácido láctico. Los diferentes enantiómeros L y D se elaboraron utilizando una versión específica de la enzima lactato deshidrogenasa en cada caso.

Deuteración de lípidos

La síntesis de ácido láctico no era lo único que el equipo quería explorar con enzimas. Otro grupo de moléculas interesante para deuterar para las técnicas de neutrones son los lípidos, que ILL están produciendo biológicamente.

Para construir un lípido deuterado, crea el grupo de cabeza y las "piernas" de la molécula por separado y luego los une. Esto a menudo se hace químicamente, pero quizás las enzimas podrían resultar útiles para este proceso. Las enzimas podrían eliminar las "patas" una a la vez y volver a unir versiones deuteradas listas para experimentos de neutrones.

Anna comenzó a explorar las enzimas fosfolipasas para esta tarea. Sin embargo, no fue fácil. Oliver Bogojevic se incorporó al proyecto en 2018, aportando conocimiento de la estructura y función de las enzimas y experiencia trabajando con la manipulación de enzimas. Todavía, las enzimas son cosas difíciles para trabajar y Anna y Oliver estaban aprendiendo cosas constantemente por ensayo y error. Las enzimas se desnaturalizan fácilmente por las altas temperaturas o los cambios de pH y encontraron que algunas enzimas tienen una especificidad de sustrato muy estrecha mientras que otras aceptan una amplia gama de sustratos. Las reacciones necesitaban un seguimiento constante y era difícil saber analizar los productos en términos de pureza.

También fue complicado aumentar la escala de producción para hacer mayores cantidades, p.ej. hasta 100 mg de compuesto perdeuterado. Esto se debe a que si tiene más material de partida, las áreas interfaciales donde ocurren las interacciones importantes no se escalan de la misma manera, es decir, duplicar el material de partida no duplica automáticamente el área de superficie disponible. El equipo tuvo que explorar métodos para mezclar los reactivos con el fin de aumentar las áreas de interfaz de manera adecuada. El trabajo en este proyecto continúa; el equipo de ESS DEMAX ofreció fosfolípidos deuterados en su primera convocatoria de propuestas, emitido a principios de este año.

A pesar de los desafíos, sin embargo, Existen grandes ventajas de utilizar enzimas. Son muy selectivos no químicamente tóxico, reutilizables y se reduce el número de pasos necesarios en un proceso de síntesis.

El trabajo realizado para SINE2020 ha establecido una metodología de catálisis enzimática, no solo por estas moléculas, pero uno que debería ser compatible con una gran cantidad de otros sustratos y reacciones enzimáticas. Esto ayudará a ampliar el acceso de los usuarios a una amplia gama de pequeñas moléculas deuteradas de alto valor con aplicaciones de dispersión de neutrones.