Los químicos de Scripps Research han creado de manera eficiente tres familias de complejos, moléculas que contienen oxígeno que normalmente solo se obtienen de plantas.

Estas moléculas, llamados terpenos, son puntos de partida potenciales para nuevos medicamentos y otros productos de alto valor, lo que marca un desarrollo importante para múltiples industrias. Además, el nuevo enfoque podría permitir a los químicos construir muchas otras clases de compuestos.

La proeza de la química se detalla en la edición del 13 de agosto de la revista. Ciencias .

La clave de este nuevo método de hacer moléculas es el aprovechamiento, o secuestro, de enzimas naturales, de bacterias, en este caso, para ayudar en transformaciones químicas complejas que han sido imprácticas o imposibles con técnicas de química sintética por sí solas, dice el investigador principal Hans Renata, Doctor., profesor asistente en el Departamento de Química de Scripps Research.

Las enzimas naturales que ayudan a construir moléculas en las células generalmente realizan solo una o dos tareas muy específicas. Pero el equipo de investigación de Scripps demostró que las enzimas naturales, incluso sin modificaciones, se puede hacer para realizar una gama más amplia de tareas.

"Creemos que, en general, las enzimas son un recurso en su mayoría sin explotar para resolver problemas en la síntesis química, ", Dice Renata." Las enzimas tienden a tener cierto grado de actividad promiscua, en términos de su capacidad para estimular reacciones químicas más allá de su tarea principal, y pudimos aprovechar eso aquí ".

Aprovechando los talentos ocultos de las enzimas

Las enzimas ayudan a construir moléculas en todas las plantas, especies animales y microbianas. Inspirados por su eficiencia en la construcción de moléculas muy complejas, Los químicos durante más de medio siglo han utilizado enzimas en el laboratorio para ayudar a construir compuestos valiosos, incluidos los compuestos farmacológicos, pero generalmente estos compuestos son las mismas moléculas que las enzimas ayudan a construir en la naturaleza.

Aprovechar las enzimas naturales de una manera más amplia, según su actividad bioquímica básica, es una nueva estrategia con un gran potencial.

"Nuestra opinión ahora es que siempre que queremos sintetizar una molécula compleja, la solución probablemente ya existe entre las enzimas de la naturaleza; solo tenemos que saber cómo encontrar las enzimas que funcionarán, "dice el autor principal Ben Shen, Doctor., presidente del Departamento de Química en el campus de Florida y director del Centro de Descubrimiento de Productos Naturales de Scripps Research.

El equipo logró hacer que se conociera la producción de nueve terpenos en Isodon, una familia de plantas con flores relacionadas con la menta. Los compuestos complejos pertenecen a tres familias de terpenos con estructuras químicas relacionadas:ent-kauranos, ent-atisanes, y ent-trachylobanes. Los miembros de estas familias de terpenos tienen una amplia gama de actividades biológicas que incluyen la supresión de la inflamación y el crecimiento de tumores.

Una receta para el éxito de la síntesis

La síntesis de cada compuesto, en menos de 10 pasos para cada uno, fue un proceso híbrido que combina los métodos de síntesis orgánica actuales con la síntesis mediada por enzimas a partir de un compuesto económico llamado esteviósido, el componente principal del edulcorante artificial Stevia.

El principal obstáculo fue el reemplazo directo de átomos de hidrógeno con átomos de oxígeno en un patrón complejo en el esqueleto de átomos de carbono del compuesto de partida. Los métodos de síntesis orgánica actuales tienen un arsenal limitado para tales transformaciones. Sin embargo, la naturaleza ha producido muchas enzimas que pueden permitir estas transformaciones, cada una capaz de realizar su función con un grado de control incomparable con los métodos artificiales.

"Al ser un grupo de investigación interdisciplinario, éramos plenamente conscientes de las limitaciones de los métodos actuales de síntesis orgánica, sino también de las muchas formas únicas en que las enzimas pueden superar estas limitaciones, y tuvimos los conocimientos para combinar la química sintética tradicional con métodos enzimáticos de manera sinérgica, "Renata dice.

Las tres enzimas utilizadas, que fueron identificados y caracterizados por Shen, Renata y colegas solo el año pasado, son producidos naturalmente por una bacteria, una de las 200, Más de 000 especies en la Colección de cepas microbianas en el Centro de descubrimiento de productos naturales de Scripps Research.

"Pudimos usar estas enzimas no solo para modificar las moléculas iniciales, o andamios como los llamamos, sino también convertir un andamio en otro para poder transformar un terpeno de una familia en un terpeno de una familia diferente, "dice la segunda autora Emma King-Smith, un doctorado estudiante en el laboratorio de Renata.

Los químicos ahora tienen la intención de utilizar su nuevo enfoque para producir cantidades útiles de los nueve compuestos, así como variantes químicas de los compuestos, y, con laboratorios colaboradores, explorar sus propiedades como posibles fármacos u otros productos.

"Con nuestra estrategia, Podemos hacer estos diterpenos altamente oxidados mucho más fácilmente y en cantidades mayores de lo que sería posible aislándolos de las plantas donde se encuentran naturalmente. "dice el primer autor Xiao Zhang, Doctor., investigador asociado postdoctoral en el laboratorio Renata.

Igual de importante, los investigadores dicen, están trabajando para identificar reacciones y enzimas que les permitan extender su enfoque a otras clases de moléculas.

Un aspecto fundamental de todos estos esfuerzos es el desarrollo continuo de métodos para examinar el ADN de los microbios y otros organismos para identificar las enzimas que codifican y predecir las actividades de esas enzimas. Existen miles de millones de enzimas distintas en las plantas, animales y bacterias en la Tierra y solo una pequeña fracción de ellas han sido catalogadas hasta la fecha.

"Estamos entusiasmados con el potencial de descubrir enzimas nuevas y útiles de nuestra biblioteca de cepas aquí en Scripps Research, ", Dice Renata." Creemos que eso nos permitirá resolver muchos otros problemas en la síntesis química ".