Yönlendirilmiş Evrim Sayesinde Biaril Çapraz Eşleşme Reaksiyonlarını 92 Kat Başarılı Kataliz Edebilen Bir Enzim Üretildi!

Yönlendirilmiş evrimi kullanan araştırmacılar, biaril bağlarının oluşumunu katalize eden bir enzim geliştirdiler.^[1] Bu yeni enzim, aromatik parçalar arasında çok seçici bir şekilde karbon-karbon bağları kurarak, kiral ligandların, farmasötiklerin ve malzemelerin hazırlanması için yeni bir araç olarak kullanılabilir.

Geleneksel olarak kimyagerler, Suzuki ve Negishi çapraz eşleşmeleri gibi metal katalizörlü reaksiyonlar kullanarak biaril bağlarını sentezlemişlerdir. Ne kadar sağlam olursa olsun, bu işlemler, hedef molekülü elde etmek için ek ön-fonksiyonelleştirme adımları gerektirir. Michigan Üniversitesi'nde kimyager olan baş yazar Alison R. H. Narayan, şöyle diyor:

Sterik olarak engellenmiş biaril bağları yapmak hala zor. Elektron eksikliği olan aromatik halkalar gibi başka yapılar da sorun yaratıyor. Biyokatalitik bir alternatifin her iki sorunu da çözebileceğini ve sentetik kimyagerleri için uygun bir alternatif olabileceğini öngördük.

Ekip, yeni katalitik işlevleri geliştirmek için ardışık turlarda bir ana enzimin genlerini kasıtlı olarak mutasyona uğratan bir teknik olan yönlendirilmiş evrimi kullandı.

Araştırmacılar, bir başlangıç noktası bulmak için doğal ürün oluşumunda yer alan ikincil metabolik yollardaki farklı enzimleri araştırdı. Narayan, şöyle açıklıyor:

Bazen, bu proteinler zaten hedeflerimize benzeyen moleküller oluşturuyor. Her şey %0,1 bile olsa bir tepkisellik ipucu bulmakla ilgili. O zaman genellikle daha fazla optimize etmek mümkün olabiliyor.

Bu durumda araştırmacılar, Aspergillus mantarlarında kumarinin biarillere dimerizasyonunu doğal olarak katalize eden bir sitokrom P450 enzimi tanımladı ve onu daha geniş bir substrat yelpazesini birleştirmek için tasarladılar.

Araştırmacılar, doğal enzimin 2.000'den fazla çeşidini yarattı ve kiral biaril bileşiklerini üretmek için bir çapraz eşleşme reaksiyonunu katalize edebilecek olanlarını taradılar. Verimi, saha seçiciliğini ve stereo seçiciliği geliştirmek için yapılan ardışık mühendislik turlarının başarılı olmasi için en iyi verimli enzimleri kullandılar. Takımın son enzimi, verimde 92 kat iyileşme sağladı. Merck & Co'da biyokataliz uzmanı olan Ania Fryszkowska şöyle diyor:

Karbon-karbon bağlarının katalitik ve seçici yapısı organik kimyadaki en önemli görevlerden biridir. Doğa, moleküler karmaşıklığı; genellikle geleneksel kimya kullanılarak elde edilemeyen, koruyucu gruplardan ve oksidatif hal ayarlamalarından kaçınarak, kolaylıkla ve zarafetle üretir.

Fryszkowska, mevcut araçlarla belirli biaril bağlarını oluşturmanın ne kadar zor olduğunun altını çiziyor:

Kiral ligandlara, koruyucu gruplara, ek parçalara ihtiyaç duyuyor.

Biyokataliz, yol boyunca saflaştırma ve izolasyon sayısını en aza indirdiği için genellikle daha güvenli ve daha çevreci de olan basit bir sentetik yaklaşım sunar.

Daha fazla mühendislik, (görseldeki) hedef bileşiklerinde benzersiz atroposeçicilik (eksenel kiraliteye sahip stereoizomerler arasında bir tercih) sunan bir enzimle sonuçlandı. Fryszkowska şöyle diyor:

Bu, biyokatalizde eşsiz bir durum.

Atroposeçicilik, asimetrik katalizde kullanılan kiral ligandların hazırlanmasında ve vankomisin antibiyotiği ile antimalaryal ancistrokladin gibi bazı ticari ilaçların sentezlenmesinde çok önemlidir.

Narayan'ın ekibi, tasarlanmış enzimin dizisini diğer doğal proteinlerle karşılaştırarak şimdiden başka umut verici ipuçları buldu. Şöyle anlatıyorlar:

Farklı substrat sınıfları üzerinde etkileyici çapraz eşleşme aktivitesine sahip, bazıları için mühendislik bile gerektirmeyen, kendinden yeterli aktiviteye sahip bir enzim hazinesi keşfettik. Bu enzim paneli, biaril bağı oluşumu bir ekmek-tereyağı dönüşümü olduğundan, bu dönüşümü bir senteze dönüştürmekle ilgilenen diğerleri için sağlam bir başlangıç noktası sunuyor.