Metaloenzimas artificiales, la síntesis química del futuro

Investigadores de la CEA (1), la Universidad Joseph Fourier y el CNRS ha desarrollado un nuevo enfoque que combina la cristalografía de proteínas y la química biomimética para la observación de que las medidas clave de un proceso esencial para la vida: la activación de oxígeno. Esto se logró mediante la creación de un complejo de metaloenzimas artificial compuesto de un catalizador químico y una proteína y la observación de que a través de cristalografía de rayos X en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF). Los resultados obtenidos constituyen un paso esencial hacia el desarrollo de metaloenzimas artificiales capaces de producir diversas moléculas de interés industrial más eficiente ya un costo menor, lo que abre nuevas perspectivas para la química verde. Estos resultados se han publicado en línea por Nature Chemistry.

Un gran número de moléculas químicas existen en dos formas con invertidas, como espejo-estructuras (enantiometers). En muchos casos, sólo una de las dos formas moleculares es de interés para la salud, industrias agrícolas o alimentos. Síntesis química molecular tiene la desventaja de producir ambas formas moleculares (catálisis enantioselectiva), y por lo tanto una cantidad no despreciable de moléculas sin interés. Con el fin de aislar la forma de interés, las fases de purificación complejas y costosas deben aplicarse.

La naturaleza es mucho más eficiente que la síntesis química.De hecho, las enzimas son generalmente capaces de producir directamente la forma molecular de interés. De ahí la idea de usarlos para aplicaciones industriales. Sin embargo, el número de enzimas naturales disponibles para producir las reacciones de interés se mantiene baja. Catalizadores homogéneos química (2) puede ser utilizado para producir un gran número de reacciones, pero a menudo con la estabilidad del catalizador bajo y la falta de especificidad.

Esto ha llevado a la idea de combinar la química y biología para crear metaloenzimas artificiales . Su estructura se compone de un catalizador inorgánico incorporados en una estructura de proteína inactiva. Cada constituyente juega su parte: el catalizador inorgánico determina la naturaleza de la reacción, actúa como el sitio activo (3), y la estructura de la proteína controla la producción de la forma molecular de interés y la eficacia de la reacción.Aunque, conceptualmente hablando, estos metaloenzimas artificiales ofrecen enormes perspectivas para la química verde, todavía queda el reto tecnológico de la ingeniería de enzimas eficientes para la producción de cada molécula de interés. Esto implica la identificación de la mejor proteína / catalizador de pareja, la comprensión de su funcionamiento, adaptación, etcMediante el desarrollo de un método para observar el progreso de la reacción química en el sitio activo en el tiempo, estos investigadores han completado un paso esencial en el desarrollo de las metaloenzimas . «En la actualidad, hemos observado el funcionamiento de una reacción de oxígeno activación molecular. Esta reacción se utiliza en un gran número de procesos celulares esenciales para la vida «, explica Stéphane Ménage, investigador del CNRS del equipo de Química Redox Bioinspirada en la Ciencias de la Vida y Tecnologías Instituto de Investigación (IRTSV). Con el fin de estudiar esta reacción, los investigadores han imitado por la introducción de un ciclo aromático en un complejo de hierro y luego la incorporación de este complejo en una proteína (4) cuya única función es el transporte de níquel enEscherichia coli bacteria (5 ). Esta proteína por lo tanto no perturba la química de oxígeno reacción de activación. Los investigadores han cristalizado entonces este metaloenzima artificial y observación directa de la evolución de la reacción dentro del cristal mediante cristalografía de rayos X. » El cristal permite la difusión de los sustratos de reacción y de los intermediarios. La enzima se mantiene activo en el cristal, y las diversas etapas de la reacción puede ser observada directamente en ella «, explica Christine Cavazza, investigador del CEA en el Laboratorio de Cristalografía de Proteínas y Crystallogenesis de la Instituto de Biología Estructural (IBS). » Así, podemos observar la incorporación de átomos de oxígeno en un núcleo aromático «. » El aspecto más extraordinario de los químicos nosotros es que esta combinación de propiedades químicas y biológicas nos ha permitido observar todos los pasos de esta reacción, algo que ningún químico previamente había logrado «, explica Stéphane Ménage. » Esto es esencial para estudiar el funcionamiento del sitio sintetizado químicamente activo. A continuación, puede adaptar su estructura de acuerdo con las características buscado «.

Metaloenzimas


© CEA

Ejemplo de la cinética química observada dentro de un cristal. Izquierda: Complejo de Hierro en un cristal de proteína. Centro: modificación conformacional del complejo después de la reducción de hierro. Derecha: Incorporación de oxígeno en el complejo después de la activación oxígeno molecular.


 

Notas:

(1) Proteínas Cristalografía y Crystallogenesis laboratorio, JP Ebel Instituto de Biología Estructural (CEA / CNRS / Universidad Joseph Fourier), metálico Química y Biología Laboratorio de CEA / CNRS / Universidad Joseph Fourier, Ciencias de la Vida y la Investigación Instituto de Tecnologías (IRTSV). 
(2 ) Un catalizador se dice que es homogénea cuando se produce sólo una fase con el disolvente y reactivos. Un catalizador homogéneo se consume durante la primera fase de la reacción y luego devuelta a su forma inicial. Por lo tanto, no aparece en la reacción global. 
(3) El sitio activo es la parte de la enzima donde tiene lugar la reacción. 
(4) de proteínas Nika. 
(5) Las bacterias intestinales que se encuentran en mamíferos, muy comunes en los seres humanos.

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