Biokemija na pomoč sintezni organski kemiji

Tvorba vezi med dvema ogljikoma v organskih molekulah, krajše vezi C-C , predstavlja osrednjo nalogo sintezne organske kemije. S takšnim povezovanjem namreč ustvarimo kompleksnejše organske molekule, ki jih uporabljamo vse od agronomije do medicine. Raziskovalna skupina iz Michigana je s pomočjo novorazvitega encima uspela bistveno izboljšati in poenostaviti metodo povezovanja dveh organskih molekul z aromatskimi obroči. 

Spojine z dvema povezanima aromatskima obročema najdemo v številnih biološko oziroma medicinsko pomembnih spojinah, kot so denimo antibiotiki, antimalariki in druga protivirusna zdravila. Sintezni postopek za pripravo takšnih spojin je navadno večstopenjski in težaven. Ko že imamo prekurzorski molekuli z aromatskim obročem, ju je treba še natančno povezati in združiti s tvorbo nove vezi C-C, ki prekurzorja spoji. To dosežemo s tako imenovano sklopitveno reakcijo pod natančno kontroliranimi pogoji na katalizatorjih, ki vsebujejo kovine, denimo platini. Največji problem pri ustaljenih postopkih sklapljanja predstavljajo stranski, neželeni produkti. Reakcija mora v kar največji meri pripeljati do natančno želenega produkta, saj je nekatere stranske produkte zelo težko ločiti od želene spojine.

Raziskovalke in raziskovalci so se po pomoč zatekli k biokemiji, natančneje encimatiki. V naravi namreč že najdemo encime, ki katalizirajo nastanek vezi C-C med nekaterimi aromatskimi spojinami. Eden takšnih je denimo encim citokrom P450, na katerega so se osredotočili tudi raziskovalci v predstavljeni raziskavi. A omenjeni encim se je v svoji naravni obliki precej slabo odrezal in deloval precej počasi. V naslednjem koraku so raziskovalci pripravili več kot dva tisoč mutiranih različic encima. Spreminjali so določene aminokislinske ostanke v encimu, ki sodelujejo pri vezanju reaktantov in njihovi pretvorbi. Ko so na vseh teh variantah encimov znova izvedli reakcijo, so med encimi našli takšne, pri katerih je kemijska reakcija potekla skoraj 100-krat hitreje kot pri osnovnem encimu.

Dodatna prednost uporabe encima pred drugimi katalizatorji je večja selektivnost. Zaradi steričnih omejitev, ki jih predstavlja geometrija vezavnega mesta encima, potečejo reakcije tako, da navadno nastane zgolj eden izmed možnih stereoizomerov. To je še posebej pomembno pri sintezi zdravilnih učinkovin, saj te v telesu interagirajo s proteini, ki so stereospecifični. To pomeni, da je za sintezo takšnih učinkovin ključno, da dobimo produkte z ustrezno stereokemijo.

Razvita metoda omogoča učinkovito povezovanje precej različnih organskih molekul z dvema aromatskima obročema. Poleg tega pa kaže na moč in svetlo prihodnost uporabe encimov in metod usmerjene evolucije pri iskanju novih encimov z izboljšano katalitsko aktivnostjo.

Zetzsche LE, Yazarians JA, Chakrabarty S, Hinze ME, Murray LAM, Lukowski AL, Joyce LA, Narayan ARH. Biocatalytic oxidative cross-coupling reactions for biaryl bond formation. Nature. 2022 Mar;603(7899):79-85. doi: 10.1038/s41586-021-04365-7. Epub 2022 Mar 2. PMID: 35236972.