创造出第一个具有非生物催化位点的人造酶
资讯类型:行业新闻 加入时间:2020年2月11日14:25
 
2020年2月10日发表在《自然催化》杂志上的一项新研究报道了一种由两种成分组成的新的人造酶的产生,两者都是非生物来源的。该事件标志着第一个成功的包含非生物活性位点的成功生物催化剂。研究表明,与大多数其他人工酶不同,这种自然界中未发现的氨基酸与铜基催化剂的协同组合具有强大的催化作用。

为什么酶很重要?

酶是在活生物体温和条件下催化一系列化学反应的生物蛋白质。也就是说,它们可以在常温常压下激活。相反,大多数工业催化剂以及有毒溶剂或金属仅在极端温度和压力下起作用。

仅使用酶进行催化的问题是它们并非适用于所有化学反应。如果不存在,现代的反应是制造它。一种方法是改变已经存在的酶使其起作用。另一个是创造一种新的酶。

研究人员认为,第一种方法的问题在于它涉及降低酶的能力。其中之一Gerard Roelfes说:“天然酶经过进化可以催化特定的反应。适应需要某种酶的降解。这就是为什么我们率先创建新的非天然酶的原因。”

酶通常由于其催化侧链位于蛋白质结合袋中的方式而具有较高的催化活性。因此,科学家试图通过遗传诱导非天然氨基酸及其侧链位置的变化来利用结合口袋。他们发现,几个突变可以使酶的周转率提高100倍。

他合成的第一种酶是可以形成非天然的酶。它基于称为LmrR的生物分子,该分子基本上是细菌转录因子,没有酶活性。它的形状像甜甜圈,具有中央大孔,可作为连接扁平疏水分子的基础。

在2018年,该蛋白质通过插入非天然氨基酸对氨基苯丙氨酸进行了修饰,此后成为一种酶。该氨基酸包含负责催化作用的苯胺侧链。

侧链通过所谓的超分子键(即,由于酶与转录因子相互作用而形成的键)将自身连接至LmrR蛋白。研究人员解释说:“其位置取决于与蛋白质的相互作用。从这个位置,我们确定了对氨基苯丙氨酸应插入蛋白质的哪个位置以创建一个活性位点。根据我在有机化学中的经验,我知道该苯胺侧链在催化中的潜在用途,并预想将其与铜催化结合是可能的。”

研究人员利用这一思想,构建了一种对迈克尔加成酶具有高度选择性活性的新酶。

这次,研究人员适应了这种相同的蛋白质,但是在插入对氨基苯丙氨酸之前,将铜络合物添加到了细菌蛋白质中。后者的苯胺链与铜结合可充当该反应的强大催化剂。铜是众所周知的过渡金属催化剂,由于存在可变的氧化态,使它们易于接受和提供电子。

这两个位点共同催化迈克尔加成反应的反应伙伴,迈克尔加成反应是一种常见的有机反应,用于在碳原子之间形成键。但是,仅将它们都放入一个分子中是行不通的,因为它们彼此之间的距离太近了。Roelfes说:“他们俩都必须处于正确的位置,以有效并有选择地促进这一反应。”

诚然,这种酶是一种相对较慢的酶。Roelfes解释说:“该酶还不够快,无法实际使用,但是通过标准技术(例如定向进化),这种酶可以得到改善。”

这个概念

他们取得的重要成就是他们展示了概念证明。首次将两种非生物或非天然催化剂组合在一起,以构建全新的酶。他们认为这可以作为合成许多不同类型新酶的启动板。

该技术的重要性在于,尽管涉及分子生物学方法以掺入非天然氨基酸,但该技术被设计为供普通化学家使用。这使该团队有可能继续生产新的合成酶。

迄今为止,非天然氨基酸在酶合成中的主要用途是试图阐明其催化特性的机理,并了解酶的功能如何与其分子结构联系起来。Roelfes和他的研究人员已经将其扩展到包括通过遗传密码在酶中使用新型氨基酸。他说:“对我而言,新生代酶是最令人兴奋的选择。”可以在蛋白质中添加非天然氨基酸以产生新酶,从而产生更多的酶,涵盖了标准化学反应。这将改变化学反应的面貌,使其对环境更加友好并减少能量输入。
文章来自:中国催化剂网
文章作者:webmaster
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