Los investigadores de la UC Santa Bárbara están desarrollando el repertorio de reacciones químicas utilizando luz. En un artículo publicado en la revista Nature , el profesor de química Yang Yang y sus colaboradores de la Universidad de Pittsburgh informan sobre un método que utiliza fotobiocatálisis para producir aminoácidos no canónicos (que no se producen de forma natural) que son valiosos componentes básicos de terapias peptídicas, productos naturales bioactivos y nuevas proteínas funcionales.
"Se han realizado muchos esfuerzos en el campo de la biocatálisis, y ahora estamos en un punto en el que podemos diseñar racionalmente reacciones enzimáticas completamente nuevas que no tienen precedentes ni en química ni en biología", afirmó Yang.
La mayoría de los esfuerzos en el campo de la biocatálisis, o la aceleración de reacciones químicas a través de enzimas (los catalizadores privilegiados de la naturaleza), se han inclinado hacia la optimización de las funciones de las enzimas naturales que son útiles para la química sintética, o la reutilización de enzimas naturales para facilitar reacciones no naturales conocidas por la química sintética. A pesar de una década de extensa investigación, sólo hay un puñado de ejemplos de reacciones enzimáticas que son nuevas para la naturaleza y para la química sintética.
"Lo que nos interesa es esencialmente descubrir reacciones enzimáticas y modos generales de catálisis enzimática completamente nuevos", añadió Yang.
Ingrese a la fotobiocatálisis, en la que se usa luz para excitar enzimas para generar energía (a menudo en forma de radicales libres) para convertir una molécula en otra. La fotobiocatálisis, un campo relativamente joven de la química, aprovecha la selectividad y eficiencia de las enzimas y las combina con la versatilidad y sostenibilidad de la luz para crear nuevos procesos y, en este caso, aminoácidos no canónicos.
Para este estudio, el equipo de investigación se centró en las enzimas dependientes de piridoxal-fosfato (PLP), una gran familia de enzimas responsables del metabolismo de los aminoácidos. El equipo desarrolló un ciclo catalítico triple interactivo en el que un fotocatalizador (un compuesto a base de iridio) se expone a la luz, iniciando un proceso que genera un radical libre transitorio, mientras que un segundo ciclo que utiliza luz regenera el fotocatalizador.
Al mismo tiempo, el ciclo de biocatálisis que utiliza una enzima PLP modifica el sustrato de aminoácidos mediante una serie de pasos de activación exclusivos de la bioquímica del PLP. Aquí entra en juego el radical libre generado a partir de la fotoquímica, que ingresa al sitio activo de la enzima y se involucra con el intermediario enzimático para permitir una nueva química. Esta cooperación entre la enzima y el fotocatalizador permite la producción de un producto de aminoácido no canónico.
La alteración de, en este caso, las estructuras moleculares de los aminoácidos comunes añade nuevas características y capacidades a estos ácidos. Al crear un nuevo enlace carbono-carbono con el crítico "carbono alfa" del aminoácido, dijo Yang, es posible utilizar esta "columna vertebral" para diseñar una gama de nuevos aminoácidos que a su vez podrían realizar funciones nuevas, únicas y funciones deseables como base de nuevas terapéuticas y productos naturales.
"Esta es la primera demostración de biocatálisis piridoxica mediante la funcionalización alfa mediada por radicales de abundantes sustratos de aminoácidos", señaló Yang.
Además, el proceso altamente eficiente es estereoselectivo, lo que significa que puede seleccionar una "forma" tridimensional preferida del aminoácido resultante, y elimina los pasos adicionales de agregar y eliminar "grupos protectores" o compuestos que enmascaran ciertos reactivos. áreas en las moléculas para evitar reacciones químicas no deseadas en esas regiones.
"Hemos descubierto interacciones interesantes entre el fotocatalizador y la enzima", dijo Yang, cuyo grupo está estudiando cómo mejorar aún más las interacciones entre los dos catalizadores. "Creo que esto conducirá a una nueva ciencia fundamental, tanto desde el punto de vista de la química sintética como también desde el punto de vista enzimológico".
