Les chimistes de Princeton ont trouvé un moyen de donner à une enzyme naturelle une nouvelle rôle artificiel, qui a des implications importantes pour la chimie moderne, y compris la production pharmaceutique. Leurs travaux paraissent dans la revue Chimie de la nature .

"Nous avons trouvé une toute nouvelle façon d'amener les enzymes à faire une réaction non naturelle, " a déclaré Todd Hyster, un professeur assistant de chimie. "Une perspective traditionnelle dit que les enzymes ne feront qu'une chose. Cet article montre que cela peut ne pas être vrai pour toutes les enzymes. Plus important encore, la stratégie décrite dans cet article peut potentiellement être appliquée à d'autres familles d'enzymes, ce qui signifie que nous pourrons utiliser cette approche pour inventer des réactions enzymatiques complètement nouvelles. Je pense que cela a le potentiel de modifier la façon dont nous construisons des molécules. »

Les enzymes sont les catalyseurs de la nature, les clés pour que les réactions biochimiques critiques se produisent assez rapidement pour maintenir la vie. Les chimistes organiques l'exploitent depuis plus de 100 ans, mais jusqu'à maintenant, leur utilisation a été limitée, car les enzymes individuelles ne sont souvent capables de catalyser qu'une seule réaction.

Maintenant, les chercheurs du laboratoire d'Hyster ont retiré une enzyme de son milieu naturel, ajouté quelques nouveaux ingrédients, et a réussi à le faire catalyser un type différent de réaction chimique, où il a fonctionné étonnamment bien.

"Todd découvre des capacités cachées dans le vaste répertoire de la chimie de la biologie, dont certains peuvent ne pas être utiles à la biologie mais nous seront très utiles, " a déclaré Françoise Arnold, le professeur Linus Pauling de génie chimique, Bioingénierie et biochimie au California Institute of Technology, qui n'a pas participé à cette recherche.

"Il montre que les enzymes sont capables de nombreux exploits, " dit Arnold, diplômé de Princeton en 1979. "Tout ce que vous avez à faire est de poser les bonnes questions."

La clé était de simplifier leur compréhension de la façon dont une enzyme catalyse une réaction, dit Hyster.

"Je pense que je suis toujours surpris que notre approche simplifiée de la catalyse enzymatique fonctionne réellement, " Hyster a dit. " En tant qu'étudiants, on nous apprend que les enzymes sont des catalyseurs incroyablement compliqués et spécifiques. ... Chaque fois que nous découvrons qu'ils sont capables de faire quelque chose de complètement nouveau que la nature n'a jamais prévu, c'est surprenant et excitant."

Dans leur réaction, les chercheurs ont ajouté une petite quantité d'un colorant photoexcitable soigneusement sélectionné à l'enzyme et l'ont inondé de lumière verte. Ce faisant, ils ont réuni deux branches de la chimie généralement sans rapport, a noté Kyle Biegasiewicz, un associé de recherche postdoctoral dans le laboratoire d'Hyster et l'un des deux co-premiers auteurs de l'article.

"Nous avons découvert un mariage incroyablement excitant de catalyse enzymatique (biocatalyse) et de catalyse photoredox, ", a déclaré Biegasiewicz.

Aux chimistes, obtenir plus de la réaction que vous voulez et moins d'une réaction que vous n'avez pas est connu sous le nom de « sélectivité ». Les enzymes sont beaucoup plus "sélectives" que la plupart des catalyseurs à petites molécules, et cette nouvelle technique permet aux scientifiques d'en tirer parti pour leurs propres réactions souhaitées. "Significativement, cette nouvelle transformation montre des niveaux élevés de sélectivité pour une classe de réactions qui étaient auparavant très difficiles à contrôler, " dit Hyster.

En substance, leur percée permet une nouvelle approche "plug-and-play", utiliser des enzymes pour activer une nouvelle réactivité catalytique, qui a de nombreuses implications passionnantes, dit Biegasiewicz. « Bien que je ne puisse donner aucun détail sur les projets en cours dans le groupe, J'informerais la communauté synthétique de rester à l'écoute, les dernières nouveautés sont vraiment cool !"

Cette nouvelle découverte est un autre aspect de la photocatalyse à la lumière visible qui transforme la chimie moderne, dit Hyster.

« Le domaine de la catalyse a été révolutionné au cours de la dernière décennie par le développement de méthodes utilisant la lumière, " at-il dit. "Princeton a vraiment été un pilote dans ce domaine. les professeurs de chimie de Princeton [David] MacMillan, [Abigail] Doyle et [Robert] Knowles utilisent tous la lumière pour faire des choses vraiment incroyables en utilisant des catalyseurs à petites molécules. Nous avons montré que l'utilité de la lumière ne se limite pas aux catalyseurs à petites molécules; cela peut également élargir les types de choses que nous pouvons faire avec les enzymes. Je pense que c'est plutôt chouette."

L'idée de cette piste de recherche est venue de suivre "les miettes de pain" dans les recherches précédentes, dit Simon Cooper, un étudiant diplômé du laboratoire d'Hyster et un co-premier auteur de l'article. D'autres scientifiques avaient démontré que l'exposition à la lumière ultraviolette provoquait un changement significatif dans le comportement d'une molécule abondante, nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADPH), que l'équipe d'Hyster a ajouté à l'enzyme avec le colorant photosensible.

"Lorsqu'il est exposé à la lumière UV, Le NADPH peut passer du transfert de deux électrons et d'un proton en une seule étape au transfert d'abord d'un électron puis d'un atome d'hydrogène (un électron et un proton), " a déclaré Cooper. " Nous avons pensé que si nous pouvions tirer parti de cette nouvelle voie à l'intérieur d'une enzyme, de nouvelles réactions précieuses attendaient d'être découvertes. ... L'aspect le plus important des découvertes de cet article est de contrôler le transfert d'un atome d'hydrogène pour créer une seule des deux formes possibles d'image miroir d'une molécule. Ce type de sélection entre deux formes d'image miroir est traditionnellement très difficile à réaliser pour le transfert d'un atome d'hydrogène, et les méthodes décrites ici sont une solution à ce défi."

Cooper a ajouté :« Alors que nous avançons dans le 21e siècle, si une population mondiale croissante doit expérimenter le confort de ce que nous tenons pour acquis dans le monde développé, nous aurons besoin de formes de catalyse chimique plus rentables et durables pour fournir de nombreux produits attribuables au mode de vie moderne. Les méthodes décrites dans notre article commenceront à ouvrir la voie, peut-être."

"Notre chimie peut sembler être de niche ou ésotérique, mais ces exemples ne servent que de preuves de concept pour ce qui peut devenir de puissantes méthodes pour fabriquer de nouvelles molécules qui peuvent avoir un impact sociétal tangible :produits pharmaceutiques, agrochimiques, parfums et la liste continue, " a déclaré Megan Emmanuel, un étudiant diplômé du laboratoire d'Hyster et un co-auteur de l'article. « L'implication que notre travail peut, un jour, être utilisé pour apporter une contribution significative à la vie des gens est passionnant. »

Le papier, "La promiscuité catalytique permise par la catalyse photoredox dans les oxydoréductases dépendantes de la nicotinamide" par Kyle Biegasiewicz, Simon Cooper, Megan Emmanuel, David Miller et Todd Hyster, a été publié dans Chimie de la nature le 11 juin 2018.