به گزارش زیستنا به نقل از Phys.org، کاتالیزورهای چندمنظوره با ویژگی‌ها و عملکردهای جدید می‌توانند راه‌کارهای تولید مواد مصنوعی را به‌وسیله دانشمندان متحول کنند و راه را برای ساخت مواد شیمیایی با ارزش بالا و صنعت شیمیایی سبزتر هموار کنند. دانشمندان در تلاش برای جستجوی چنین کاتالیزورهایی، آنزیمی را مهندسی کرده‌اند که می‌تواند واکنشی آلی را که به‌کندی سرعت واکنش معروف است، تسریع کند.
واکنش مورد بحث، واکنش موریتا-بایلیس-هیلمن (Morita-Baylis-Hillman) یا به‌اختصار MBH نام دارد. این واکنش فرایندی قدرتمند است که برای تشکیل پیوند کربن-کربن بین یک آلکن (alkene) و یک ترکیب الکتروفیل مانند آلدئید (aldehyde) استفاده می‌شود. واکنش MBH محصولاتی را ایجاد می‌کند که مواد اولیه مفیدی برای فرایندهای ساخت بعدی هستند. بااین‌حال، این واکنش به میزان کاتالیزور زیادی نیاز دارد و زمان واکنش آن طولانی است؛ به‌طوری‌که با کاتالیزورهای موجود (به‌طورمعمول کاتالیزورهای کوچک مولکول مانند DABCO و DMAP) چندین روز صرف می‌شود تا مقدار مفیدی از محصول تولید شود؛ بنابراین، علیرغم مفید بودن آن در تولید مواد آلی، این معایب مانع از استفاده گسترده‌تر آن می‌شود.
پروفسور آنتونی گرین (Anthony Green) از دانشگاه منچستر، بریتانیا که میزبان پروژه enzC-Hem است در مقاله‌ای که در «Chemistry World» منتشر شده است بیان می‌کند: «کاتالیزورهای معمولی که برای این واکنش استفاده می‌کنید، نوکلئوفیل‌های (هسته‌دوست‌های) کوچک هستند.» پروفسور گرین که نویسنده ارشد این مطالعه نیز است ادامه می‌دهد: «زیبایی زیست‌شناسی این است که اگر بتوانید آنزیمی را مهندسی کنید یا پروتئینی را برای انجام این واکنش طراحی کنید، افزایش سرعت در مقایسه با هر آنچه با شیمی کوچک مولکول‌ها به‌دست‌آمده است قابل‌توجه است.» این مطالعه در ژورنال Nature Chemistry منتشر شده است.
راهی به‌سوی کاتالیزوری بهتر
گروه پژوهشی با هدف ساخت نخستین زیست‌کاتالیزور کارآمد و انتخابی برای واکنش MBH، از آنزیمی به نام BH32 استفاده کرد. این آنزیم چندین سال پیش به‌وسیله دکتر دیوید بیکر (David Baker) و گروهش در دانشگاه واشنگتن در ایالات‌متحده ایجاد شده بود. آن‌گونه که در این مقاله گزارش شده است، هرچند دکتر بیکر – که یکی از نویسندگان مطالعه حاضر است – و گروهش موفق به طراحی آنزیم‌هایی برای واکنش MBH شدند، این آنزیم‌ها عملکرد ضعیفی داشتند. به گفته پروفسور گرین: «آن‌ها از نظر کاتالیزوری توانمند بودند، اما زیست‌کاتالیزورهای قابل‌قبولی نبودند.»
گروه پژوهشی به رهبری پروفسور گرین برای ایجاد آنزیم جدید، آنزیم اولیه BH32 را تحت فرآیندی به نام تکامل هدایت‌شده (directed evolution) قرار دادند. این روش ابزار مهندسی قدرتمندی برای متناسب‌سازی آنزیم‌ها برای انجام واکنش‌های مطلوب است. تکامل هدایت‌شده، عملکرد پروتئین‌ها را از طریق دورهای مکرر جهش و انتخاب بهبود می‌بخشد. پس از انجام ۱۴ دور تکامل، گروه تحقیقاتی موفق به مهندسی آنزیمی به نام BH32.14 شد که به‌طور قابل‌توجهی سریع‌تر و نیز از نظر فضایی انتخابی (enantioselective) است.
نتایج نشان داد که غلظت‌های اندک از BH32.14 که به واکنش MBH اضافه شود می‌تواند بازدهی بسیار بیشتری نسبت به مقادیر بالای کاتالیزورهای کوچک مولکول کنونی ایجاد کند. علاوه بر این، واکنش نه چند روز که تنها چند ساعت طول می‌کشد.
این آنزیم تازه مهندسی‌شده «یکی از پیچیده‌ترین آنزیم‌های طراحی‌شده است که تا به امروز در شیمی آلی به کار گرفته شده است.» این کار را enzC-Hem پشتیبانی کرده است و نشان می‌دهد که ترکیب طراحی محاسباتی و تکامل هدایت‌شده می‌تواند سبب ایجاد زیست‌کاتالیزورهای جدیدی برای تبدیل‌های شیمیایی مهمی شود که در طبیعت یافت نمی‌شوند.
منبع: Phys.org
Journal Reference:
Crawshaw, Rebecca, Amy E. Crossley, Linus Johannissen, Ashleigh J. Burke, Sam Hay, Colin Levy, David Baker, Sarah L. Lovelock, and Anthony P. Green. “Engineering an Efficient and Enantioselective Enzyme for the Morita–Baylis–Hillman Reaction.” Nature Chemistry ۱۴, no. 3 (2022): 313–۲۰. https://doi.org/10.1038/s41557-021-00833-9.