Новый метод использует свет для генерации неканонических аминокислот

Исследователи Калифорнийского университета в Санта-Барбаре создают набор химических реакций, используя свет. В статье, опубликованной в журнале ПриродаПрофессор химии Ян Ян и его коллеги из Питтсбургского университета сообщают о методе использования фотобиокатализа для производства неканонических (не встречающихся в природе) аминокислот, которые являются ценными строительными блоками пептидной терапии, биоактивных натуральных продуктов и новых функциональных белков.

«В области биокатализа было предпринято так много усилий, и сейчас мы находимся на этапе, когда мы можем рационально разрабатывать совершенно новые ферментативные реакции, которые являются беспрецедентными ни в химии, ни в биологии», — сказал Ян.

Большинство усилий в области биокатализа или ускорения химических реакций с помощью ферментов — привилегированных природных катализаторов — были направлены на оптимизацию функций естественных ферментов, которые полезны в синтетической химии, или на повторное использование природных ферментов для облегчения неестественных реакций, известных синтетической химии. Несмотря на десятилетие обширных исследований, существует лишь несколько примеров ферментативных реакций, которые являются как новыми для природы, так и новыми для синтетической химии.

«Что нас интересует, так это, по сути, открытие совершенно новых ферментативных реакций и общих способов ферментативного катализа», — добавил Ян.

Введите фотобиокатализ, при котором свет используется для возбуждения ферментов для выработки энергии (часто в форме свободных радикалов) для преобразования одной молекулы в другую. Относительно молодая область химии, фотобиокатализ, использует преимущества селективности и эффективности ферментов и сочетает их с универсальностью и устойчивостью света для создания новых процессов и, в данном случае, неканонических аминокислот.

Взаимодействующие каталитические процессы

В этом исследовании исследовательская группа сосредоточилась на пиридоксальфосфат (PLP)-зависимых ферментах, большом семействе ферментов, ответственных за метаболизм аминокислот. Команда разработала взаимодействующий тройной каталитический цикл, в котором фотокатализатор — соединение на основе иридия — подвергается воздействию света, инициируя процесс, который генерирует временный свободный радикал, в то время как второй цикл с использованием света регенерирует фотокатализатор.

Одновременно цикл биокатализа с использованием фермента PLP модифицирует аминокислотный субстрат посредством ряда стадий активации, уникальных для биохимии PLP. Здесь в игру вступают свободные радикалы, образующиеся в результате фотохимии, проникая в активный центр фермента и вовлекая ферментативный промежуточный продукт, чтобы активировать новую химию. Такое сотрудничество между ферментом и фотокатализатором позволяет производить неканонический аминокислотный продукт.

Изменение — в данном случае — общих молекулярных структур аминокислот добавляет этим кислотам новые свойства и возможности. По словам Янга, создавая новую углерод-углеродную связь с критическим «альфа-углеродом» аминокислоты, становится возможным использовать эту «основу» для разработки ряда новых аминокислот, которые, в свою очередь, могут выполнять новые, уникальные и желаемые функции в качестве основы новых терапевтических средств и натуральных продуктов.

«Это первая демонстрация пиридоксального биокатализа посредством радикальной альфа-функционализации обильных аминокислотных субстратов», — отметил Ян.

Кроме того, высокоэффективный процесс является одновременно стереоселективным, то есть позволяет выбрать предпочтительную трехмерную «форму» получаемой аминокислоты, и исключает дополнительные этапы добавления и удаления «защитных групп» или соединений, которые маскируют определенные реакционноспособные соединения. области на молекулах, чтобы предотвратить нежелательные химические реакции в этих областях.

«Мы обнаружили интересные взаимодействия между фотокатализатором и ферментом», — сказал Ян, чья группа изучает способы дальнейшего улучшения взаимодействия между двумя катализаторами. «Я думаю, что это приведет к новой фундаментальной науке, как с точки зрения синтетической химии, так и с точки зрения энзимологии».