Створено штучний біокаталізатор хімічної реакції
Планета науки

Створено штучний біокаталізатор хімічної реакції

16.07.2010 11:51

Хімічна реакція

Учені вперше зуміли з нуля створити біологічний каталізатор для важливої промислової хімічної реакції, що дозволить в майбутньому синтезувати ферменти для багатьох інших хімічних процесів, що не мають природних аналогів, повідомляється в статті дослідників, опублікованій в журналі Science.

Автори роботи, група біохіміків на чолі з Джастіном Сігелем з Вашингтонського університету в Сієтлі, США, розробили біологічну молекулу-каталізатор для так званої «міжмолекулярної реакції Дільса-Альдера». Ця реакція дозволяє проводити злиття двох органічних молекул певного типа з утворенням циклічних структур, що є важливими фрагментами багатьох терапевтичних препаратів і ліків. Велике значення цієї реакції для хімічної промисловості було відмічено Нобелівською премією, яку Курт Адлер і Отто Пауль Герман Дільс, її першовідкривачі, розділили між собою в 1950 році.

Не дивлячись на її широке застосування в хімічному синтезі, ученим дотепер не вдалося знайти жодного природного каталізатора міжмолекулярної реакції Дільса-Альдера. Існують ферменти, прискорюючі лише внутрішньомолекулярний тип цієї реакції, коли циклізація і утворення нових зв'язків відбувається «усередині» однієї і тієї ж молекули.

Синтетичні каталізатори, що є складними органічними молекулами, дозволяють проводити міжмолекулярну реакцію стереоселектівно – контролювати взаємне розташування функціональних хімічних груп в циклічних фрагментах речовини, що синтезується, що знов утворюються. Це розташування виявляється вирішальним, коли йдеться про фізичні властивості або біологічну активність знов одержуваної речовини.

Ферменти, на відміну від синтетичних молекул, можна одержувати за допомогою генетично модифікованих мікроорганізмів і бактерій, що може істотно зменшити їх вартість, проте, дотепер ученим не вдавалося узяти цю висоту: створити штучну біологічну молекулу з певною структурою і властивостями, не маючи її природного аналога як зразка.

Створити біологічний каталізатор, прискорюючий процес стереоселективной циклізації двох молекул з утворенням однієї, учені під керівництвом Сигеля зуміли на підставі лише теоретичних уявлень про будову біологічних молекул і природу хімічних процесів. Для цього хіміки застосували квантовохімічне моделювання проміжних стадій реакції, а також обчислювальні алгоритми, що дозволяють передбачати тривимірну структуру біологічних молекул на підставі їх хімічної формули.

Після проведення теоретичних розрахунків, учені отримали близько мільйона можливих білкових структур, які могли б проявляти каталітичну активність в реакції Дільса-Альдера. Використовуючи математичні алгоритми і хімічну інтуїцію, дослідники зуміли зупинитися на 84 білкових структурах, які надалі були ними одержані за допомогою генетичного модифікування бактерій E.coli. Два з цих білків показали хоч і невелику, але все таки явно виражену каталітичну активність в реакції міжмолекулярної циклізації Дільса-Альдера.

Така активність помітно нижча від активності природних каталізаторів, що виконують внутрішньомолекулярну реакцію, проте учені упевнені, що подальший розвиток їх методу дозволить істотно підвищити ефективність подібних каталізаторів і створити принципово нові ферменти для інших типів хімічних процесів, що вимагають наявність каталізатора.