Les chercheurs de l'UC Santa Barbara développent le répertoire des réactions chimiques en utilisant la lumière. Dans un article publié dans la revue Nature , le professeur de chimie Yang Yang et ses collaborateurs de l'Université de Pittsburgh rapportent une méthode utilisant la photobiocatalyse pour produire des acides aminés non canoniques (non naturels) qui sont des éléments constitutifs précieux de thérapies peptidiques, de produits naturels bioactifs et de nouvelles protéines fonctionnelles.
"De nombreux efforts ont été déployés dans le domaine de la biocatalyse, et nous sommes maintenant à un point où nous pouvons concevoir rationnellement des réactions enzymatiques entièrement nouvelles, sans précédent en chimie ou en biologie", a déclaré Yang.
La plupart des efforts dans le domaine de la biocatalyse, ou de l'accélération des réactions chimiques via les enzymes – les catalyseurs privilégiés de la nature – ont consisté à optimiser les fonctions enzymatiques naturelles utiles à la chimie de synthèse, ou à réutiliser les enzymes naturelles pour faciliter des réactions non naturelles connues en chimie de synthèse. Malgré une décennie de recherches approfondies, il n'existe qu'une poignée d'exemples de réactions enzymatiques qui sont à la fois nouvelles pour la nature et pour la chimie synthétique.
"Ce qui nous intéresse est essentiellement de découvrir des réactions enzymatiques entièrement nouvelles et des modes généraux de catalyse enzymatique", a ajouté Yang.
Entrez dans la photobiocatalyse, dans laquelle la lumière est utilisée pour exciter des enzymes afin de générer de l'énergie (souvent sous forme de radicaux libres) pour convertir une molécule en une autre. Domaine relativement jeune de la chimie, la photobiocatalyse tire parti de la sélectivité et de l'efficacité des enzymes et combine cela avec la polyvalence et la durabilité de la lumière pour créer de nouveaux processus, et dans ce cas, des acides aminés non canoniques.
Pour cette étude, l’équipe de recherche s’est concentrée sur les enzymes dépendantes du pyridoxal-phosphate (PLP), une grande famille d’enzymes responsables du métabolisme des acides aminés. L'équipe a développé un triple cycle catalytique interactif dans lequel un photocatalyseur (un composé à base d'iridium) est exposé à la lumière, déclenchant un processus qui génère un radical libre transitoire, tandis qu'un deuxième cycle utilisant la lumière régénère le photocatalyseur.
Parallèlement, le cycle de biocatalyse utilisant une enzyme PLP modifie le substrat d'acides aminés via une série d'étapes d'activation propres à la biochimie PLP. Le radical libre généré par la photochimie entre en jeu ici, entrant dans le site actif de l’enzyme et engageant l’intermédiaire enzymatique pour permettre une nouvelle chimie. Cette coopération entre l'enzyme et le photocatalyseur permet la production d'un produit acide aminé non canonique.
La modification, dans ce cas, des structures moléculaires communes des acides aminés ajoute de nouvelles caractéristiques et capacités à ces acides. En créant une nouvelle liaison carbone-carbone avec le « carbone alpha » critique de l'acide aminé, a déclaré Yang, il devient possible d'utiliser ce « squelette » pour concevoir une gamme de nouveaux acides aminés qui pourraient à leur tour remplir de nouvelles fonctions, uniques et fonctions souhaitables comme base de nouvelles thérapeutiques et de produits naturels.
"Il s'agit de la première démonstration de biocatalyse pyridoxique via une fonctionnalisation alpha médiée par des radicaux d'abondants substrats d'acides aminés", a souligné Yang.
De plus, le processus hautement efficace est à la fois stéréosélectif, ce qui signifie qu'il peut sélectionner une « forme » tridimensionnelle préférée de l'acide aminé résultant, et il élimine les étapes supplémentaires d'ajout et de suppression de « groupes protecteurs » ou de composés qui masquent certains réactifs. zones sur les molécules pour éviter les réactions chimiques indésirables dans ces régions.
"Nous avons découvert des interactions intéressantes entre le photocatalyseur et l'enzyme", a déclaré Yang, dont le groupe étudie comment améliorer davantage les interactions entre les deux catalyseurs. "Je pense que cela va conduire à une nouvelle science fondamentale, à la fois du point de vue de la chimie synthétique et également du point de vue de l'enzymologie."
