Um novo estudo publicado na revista Nature Catalysis em 10 de fevereiro de 2020, relata a criação de uma nova enzima artificial a partir de dois componentes, ambos de origem não biológica. Este evento marca o primeiro catalisador biola³gico bem sucedido a conter um local ativo não biola³gico. O estudo mostra que esse tipo de combinação sinanãrgica de um aminoa¡cido não encontrado na natureza com um catalisador a  base de cobre écapaz de ação catala­tica poderosa, ao contra¡rio da maioria das outras enzimas artificiais.

As enzimas são protea­nas biológicas que catalisam uma sanãrie de reações químicas sob as condições amenas de um organismo vivo. Ou seja, eles podem ser ativados em temperaturas e pressaµes normais. Por outro lado, a maioria dos catalisadores industriais atua apenas em temperaturas e pressaµes extremas, bem como solventes ou metais venenosos.

O problema de usar apenas enzimas para cata¡lise éque elas não estãodisponí­veis para todas as reações químicas. A reação moderna éfazaª-lo se não estiver la¡. Uma maneira de fazer isso éalterar uma enzima já existente para que ela funcione. Outra écriar uma nova enzima.

O problema com a primeira abordagem, segundo os pesquisadores, éque ela envolve a redução da capacidade enzima¡tica. Um deles, Gerard Roelfes, diz: “As enzimas naturais evolua­ram para catalisar reações especa­ficas. A adaptação requer um tipo de devolução da enzima. Por isso, fomos pioneiros na criação de novas enzimas não naturais. ”

As enzimas geralmente devem sua alta atividade catala­tica a  maneira como as cadeias laterais catala­ticas são colocadas dentro de uma bolsa de ligação a s protea­nas. Os cientistas, portanto, tentaram brincar com o bolso de ligação, atravanãs de variações geneticamente induzidas no posicionamento do aminoa¡cido não natural e, portanto, de sua cadeia lateral. Eles descobriram que várias mutações poderiam aumentar a rotatividade da enzima em 100 vezes.

A primeira enzima que ele sintetizou foi uma que pode formar hidrazonas não naturais. a‰ baseado em uma molanãcula biológica chamada LmrR, que ébasicamente um fator de transcrição bacteriana, sem atividade enzima¡tica. Tem a forma de um anel com um poro central grande que serve de base para ligar moléculas hidrofa³bicas planas.

Em 2018, essa protea­na foi modificada pela inserção do aminoa¡cido não natural p-aminofenilalanina, momento em que se tornou uma enzima. Este aminoa¡cido contanãm uma cadeia lateral de anilina que éresponsável pela cata¡lise.

A cadeia lateral se liga a  protea­na LmrR, chamada ligações supramoleculares - ou seja, ligações formadas como resultado das interações da enzima com o fator de transcrição. Os pesquisadores explicam: “Sua posição édeterminada pela interação com a protea­na. A partir desta posição, determinamos onde a p-aminofenilalanina deve ser inserida na protea­na para criar um local ativo. Pela minha experiência em química orga¢nica, eu conhecia a utilidade potencial dessa cadeia lateral da anilina para a cata¡lise e imaginava que seria possí­vel combina¡-la com a cata¡lise do cobre. ”

Usando essa idanãia, os pesquisadores construa­ram uma nova enzima que tinha atividade altamente seletiva para a adição de Michael.

Desta vez, os pesquisadores adaptaram essa mesma protea­na, mas depois adicionaram o complexo de cobre a  protea­na bacteriana, antes de inserir a p-aminofenilalanina. A cadeia de anilina deste último combinada com cobre para atuar como um poderoso catalisador para esta reação. O cobre éum catalisador de metal de transição conhecido devido a  presença de estados varia¡veis ​​de oxidação, permitindo que eles aceitem e doem elanãtrons com facilidade.

Ambos os sites cooperam para catalisar os parceiros de reação da reação de adição de Michael, uma reação orga¢nica comum usada para criar ligações entre a¡tomos de carbono. No entanto, apenas colocar os dois em uma molanãcula não funciona, porque eles se contrapaµem a distâncias muito próximas. Roelfes diz: "Os dois precisam estar na posição correta para catalisar de maneira eficiente e seletiva essa reação".

a‰ certo que a enzima érelativamente lenta. Roelfes explica: "A enzima ainda não érápida o suficiente para uso prático, mas, com técnicas padrãocomo a evolução direcionada, isso pode ser melhorado".

O importante que eles alcana§aram éque eles mostraram uma prova de conceito. Dois catalisadores abiola³gicos ou não naturais foram reunidos pela primeira vez para criar uma enzima completamente nova. Eles acham que isso poderia servir como uma barra de lana§amento para a sa­ntese de muitos tipos diferentes de novas enzimas.

A importa¢ncia da técnica éque ela foi projetada para ser usada por químicos comuns, embora envolva manãtodos de biologia molecular para a incorporação de aminoa¡cidos não naturais. Isso tornou possí­vel para a equipe continuar produzindo novas enzimas sintanãticas.

O principal uso de aminoa¡cidos não naturais na sa­ntese enzima¡tica atéagora foi tentar elucidar os mecanismos por trás de suas propriedades catala­ticas e entender como a função da enzima estava ligada a  sua estrutura molecular. Roelfes e seus pesquisadores expandiram isso para incluir o uso de novos aminoa¡cidos via ca³digo genanãtico, dentro das enzimas. Ele diz: "Para mim, a geração de enzimas novas na natureza éa opção mais interessante". A adição de aminoa¡cidos não naturais a uma protea­na para criar uma nova enzima pode ser adotada para gerar muito mais, abrangendo toda a gama de reações químicas padra£o. Isso mudaria a face das reações químicas, tornando-as mais ecola³gicas e também reduzindo os insumos energanãticos.