Concevoir des enzymes pour effectuer des réactions introuvables dans la nature peut relever des défis de longue date dans le monde de la chimie synthétique, tels que la transformation d'huiles végétales en produits biochimiques utiles.

Une équipe de chercheurs a développé une stratégie simple mais puissante pour créer de nouvelles enzymes avec une nouvelle réactivité qui peuvent produire des composés chimiques précieux, en s'appuyant sur leurs travaux antérieurs utilisant la lumière pour réutiliser des enzymes naturelles.

L'étude, publiée dans Nature Catalysis, a été dirigé par Xiaoqiang Huang, un ancien chercheur postdoctoral du département de génie chimique et biomoléculaire (ChBE) de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et du Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation (CABBI), un centre de recherche sur la bioénergie financé par le département américain de l'énergie . Huang, actuellement professeur adjoint à l'Université de Nanjing en Chine, a effectué ce travail dans le laboratoire du professeur ChBE Huimin Zhao, responsable du thème de conversion du CABBI et affilié à l'Institut Carl R. Woese de biologie génomique (IGB).

Dans l'étude, la lumière visible a été utilisée pour exciter une enzyme cétoréductase modifiée, permettant une réaction biocatalytique nouvelle dans la nature connue sous le nom d'addition conjuguée radicalaire asymétrique, qui est extrêmement difficile à réaliser par catalyse chimique.

Les catalyseurs sont des substances utilisées pour accélérer les réactions chimiques. Dans les organismes vivants, des molécules de protéines appelées enzymes catalysent des réactions dans un processus appelé biocatalyse. Les scientifiques ont commencé à utiliser la biocatalyse pour synthétiser des composés précieux, car sa haute sélectivité leur permet de déployer des enzymes pour agir sur des substrats spécifiques et créer des produits cibles. Un autre avantage est que les réactions enzymatiques sont hautement durables. Ils sont relativement peu coûteux, consomment peu d'énergie et causent peu de dommages à l'environnement, contrairement aux catalyseurs chimiques, qui nécessitent généralement des solvants organiques, de la chaleur et une pression élevée pour fonctionner.

Pourtant, les enzymes sont compliquées à travailler. Ils se limitent normalement à catalyser les réactions trouvées dans la nature, ce qui signifie que les scientifiques ont souvent du mal à trouver le biocatalyseur parfait pour répondre à leurs besoins. Le laboratoire de Zhao s'est concentré sur le pilotage de la biocatalyse avec la lumière visible, un processus connu sous le nom de "photobiocatalyse", pour produire une nouvelle réactivité enzymatique. Dans une étude précédente, Zhao et Huang ont développé une réaction induite par la lumière visible en utilisant une enzyme nommée ène-réductase (ER) comme biocatalyseur pour produire des rendements élevés de précieux composés carbonyles chiraux, qui ont des applications potentielles pour la production de produits chimiques de grande valeur. /P>

La nouvelle étude s'appuie sur ce travail, en utilisant la photobiocatalyse sur une famille d'enzymes différente - les cétoréductases dépendantes du nicotamide produites par des bactéries - et un mécanisme chimique différent pour produire un autre type de composés carbonylés chiraux appelés esters α-chiraux. Grâce à l'illumination et à l'évolution de la kétoreductase, l'équipe a réalisé une addition de conjugué radicalaire biocatalytique énantiosélective de type Giese pour transformer les acides gras en esters α-chiraux, a déclaré Zhao.

L'énantiosélectivité est le degré auquel un énantiomère - l'une d'une paire de molécules qui sont des images miroir l'une de l'autre - est préférentiellement produit dans une réaction chimique. La chiralité est une caractéristique fondamentale des composés organiques, qui influence grandement les propriétés des molécules, et ses implications sont énormes dans de nombreux domaines, notamment la biologie, la médecine et la science des matériaux. Par exemple, la stéréochimie diversifiée des molécules organiques (l'arrangement spatial des atomes et son effet sur les réactions chimiques) non seulement améliore considérablement la richesse du monde biologique, mais joue également un rôle profond dans de nombreuses activités biologiques telles que la communication moléculaire, a-t-il déclaré. .

Les résultats offrent des applications pratiques pour le travail du CABBI visant à développer des biocarburants et des produits biochimiques à partir de cultures telles que le miscanthus, le sorgho et la canne énergétique au lieu du pétrole. La nouvelle transformation biocatalytique pourrait utiliser les acides gras que CABBI génère à partir de ces plantes comme matières premières pour synthétiser des bioproduits à valeur ajoutée, tels que des ingrédients pour des savons ou des produits de soins de la peau, de manière respectueuse de l'environnement.

"Bien que nous n'ayons pas ciblé un produit spécifique pour une application ultérieure, ce travail fournit une nouvelle méthode pratique qui pourrait potentiellement être appliquée à la valorisation des acides gras", a déclaré Zhao. "Les enzymes sont les bêtes de somme de la synthèse biologique des carburants et des produits chimiques à partir de la biomasse renouvelable.

"L'un des principaux changements scientifiques dans la recherche sur la conversion du CABBI, ou la recherche sur la bioénergie en général, est le manque d'enzymes connues avec l'activité et la spécificité de substrat souhaitées pour la synthèse de carburants et de produits chimiques cibles. Par conséquent, il est urgent de développer de nouveaux des stratégies pour découvrir ou concevoir des enzymes avec l'activité ou la réactivité souhaitée. » + Explorer plus loin

Des chercheurs font la lumière sur une nouvelle réaction enzymatique