As enzimas são a força motriz catala­tica da biologia, ligando as molanãculas, separando-as e reconfigurando-as em processos vitais para tudo, desde a digestãoatéa respiração. Sua disponibilidade, eficiência e especificidade hámuito os tornam populares para reações fora dos sistemas biola³gicos, incluindo aqueles envolvidos na preservação de alimentos, detergentes e diagnóstico de doena§as.

"As enzimas são catalisadores privilegiados da natureza", disse o professor assistente de química Yang Yang da UC Santa Barbara. "Eles podem catalisar reações com incra­vel seletividade." Os esforços nas últimas três décadas também resultaram no desenvolvimento de enzimas customizadas - enzimas evolua­ram rapidamente para fins direcionados, para interagir com moléculas especa­ficas, resultando em um alto rendimento dos produtos desejados com seletividades sem paralelo.

No entanto, acrescentou Yang, as reações que as enzimas podem permitir são relativamente limitadas - um repertório um tanto pequeno por sua poderosa capacidade de fazer produtos com eficiência com custos mais baixos de material, energia e meio ambiente.

Para preencher essa lacuna e mesclar o melhor dos dois mundos - versatilidade e seletividade - Yang e sua equipe de pesquisa desenvolveram um manãtodo pelo qual certas enzimas podem ser induzidas a facilitar reações aºteis que nunca foram observadas anteriormente no mundo biola³gico, ampliando assim seu repertório e abrindo possibilidades para processos nunca antes conduzidos por enzimas.

"Se pudermos desenvolver essas atividades enzima¡ticas ditas novas a  natureza, teremos biocatalisadores muito poderosos para as indaºstrias farmacaªutica e agroquímica", disse Yang, que escreveu com colegas da UC Santa Barbara e da Universidade de Pittsburgh um artigo publicado em a revista Science .

A estereoquímica (também conhecida como química 3D) éessencial para controlar a bioatividade de medicamentos de pequenas molanãculas. A maioria das biomacromolanãculas, incluindo DNAs e protea­nas, são quirais, o que significa que tem estrutura assimanãtrica.

"a‰ como sua ma£o esquerda e sua ma£o direita: elas tem a mesma aparaªncia, mas não se sobrepaµem, o que significa que são quirais", explicou Yang. "Para interagir efetivamente com essas biomacromoléculas quirais, as drogas de moléculas pequenas devem ser projetadas com estereoquímica especa­fica. Muitas vezes, um enantia´mero de uma molanãcula de droga quiral émuito potente, enquanto o outro enantia´mero éineficaz ou mesmo venenoso."

A maneira mais eficiente de criar essas moléculas quirais valiosas ébaseada na cata¡lise assimanãtrica, disse ele, um processo em que um catalisador sob medida produz seletivamente um enantia´mero (molanãcula quiral não sobreposta) em vez de outro. Infelizmente, muitos desafios ainda existem no campo da cata¡lise assimanãtrica. Em particular, uma classe de reações amplamente utilizadas - a saber, reações radicais ou reações envolvendo intermediários de casca aberta - ainda não sucumbiram a  cata¡lise assimanãtrica. Esse problema hámuito tempo ilude os químicos sintanãticos.

"Os radicais orga¢nicos são intermediários de reação muito comuns e extremamente ativos na química sintanãtica", disse Yang. "No entanto, sabe-se que controlar a estereoquímica dessas reações émuito, muito difa­cil."

Existem dois problemas que surgem, ele explicou. Uma éque o radical, uma vez gerado, geralmente não interage fortemente com o catalisador.

"Portanto, não hácomo impor o estereocontrole sobre essas formações de va­nculo mediadas por radicais", disse ele.

Em segundo lugar, muitas vezes há compensação de seletividade de atividade.

"Se vocêtem uma espanãcie altamente ativa, serárelativamente difa­cil controlar a seletividade das reações que envolvem esses intermediários. Portanto, geralmente háuma compensação", disse Yang.

A solução? Evolução direcionada - desenvolva a enzima para ser capaz de controlar o radical.

Seguindo a deixa da engenheira química do Caltech, vencedora do Praªmio Nobel de 2018, Frances Arnold, que foi consultora de pa³s-doutorado de Yang, a equipe conduziu rodadas iterativas de evolução e triagem de citocromos P450. A superfamilia das metaloenzimas éencontrada em todos os reinos da vida que contem heme - uma molanãcula que contanãm ferro - que éessencial para a cata¡lise.

"A evolução dirigida usa essas rodadas de mutação e triagem para otimizar as funções enzima¡ticas", explicou Yang. "Neste processo, criamos uma enorme biblioteca de variantes de enzimas por manipulação de DNA." Com uma biblioteca de DNA para reações-alvo, os pesquisadores podem expressar e rastrear suas protea­nas mutantes para auxiliar na identificação de catalisadores enzima¡ticos promissores. A enzima melhorada torna-se então a ma£e na rodada subsequente de engenharia. Dessa forma, por meio de ciclos iterativos de mutação e triagem, a atividade enzima¡tica e a seletividade ideais são alcana§adas.

Usando este manãtodo, os pesquisadores foram capazes de redirecionar uma enzima para conduzir uma " reação biocatala­tica não natural , ou seja, a ciclização radical de transferaªncia de a¡tomo estereosseletiva", combinando o poder da cata¡lise sintanãtica e o controle que a natureza oferece com a cata¡lise enzima¡tica.

Essa nova capacidade abre muitas possibilidades, incluindo uma variedade mais ampla de moléculas que podem ser acionadas por enzimas recanãm-desenvolvidas.

"O objetivo geral éaplicar os biocatalisadores que desenvolvemos a s indaºstrias farmacaªutica e agroquímica", disse Yang. "Eventualmente, com as novas ferramentas, seremos capazes de desenvolver medicamentos e herbicidas valiosos que sera£o aºteis para a nossa sociedade."