Forskare vid Paul Scherrer-institutet PSI har för första gången exakt karakteriserat enzymet styrenoxidisomeras, som kan användas för att producera värdefulla kemikalier och läkemedelsprekursorer på ett miljövänligt sätt. Studien publiceras i tidskriften Nature Chemistry.
Enzymer är kraftfulla biomolekyler som kan användas för att producera många ämnen under normala förhållanden. De möjliggör ”grön” kemi, som minskar miljöföroreningar till följd av processer som används inom syntetisk kemi. Ett sådant verktyg från naturen har nu karakteriserats i detalj av PSI-forskare: enzymet styrenoxidisomeras. Det är den biologiska versionen av Meinwald-reaktionen, en viktig kemisk reaktion inom organisk kemi.
”Enzymet, som upptäcktes för flera decennier sedan, tillverkas av bakterier”, säger Richard Kammerer från PSI:s biomolekylära forskningslaboratorium. Hans kollega Xiaodan Li tillägger: ”Men eftersom det inte var känt hur det fungerar har den praktiska tillämpningen hittills varit begränsad.” De två forskarna och deras team har klarlagt såväl enzymets struktur som hur det fungerar.
Enkel mekanism för en komplicerad reaktion
Mikroorganismer har specifika enzymer med vars hjälp de t.ex. kan bryta ner skadliga ämnen och använda dem som näringsämnen. Styrenoxidisomeras är ett av dessa. Tillsammans med två andra enzymer gör det det möjligt för vissa miljöbakterier att växa på kolvätena styren.
Styrenoxidisomeraset katalyserar ett mycket specifikt steg i reaktionen: Det spjälkar en tredelad ring i styrenoxiden som består av en syre- och två kolatomer, en så kallad epoxid. Därmed är enzymet mycket specifikt och skapar endast en produkt. Det kan också omvandla ett antal andra ämnen och på så sätt producera viktiga prekursorer för medicinska tillämpningar.
En särskild fördel har att göra med att det i många kemiska reaktioner bildas både en bild och en spegelbild av en kemisk förening, vilket kan ha helt olika biologiska effekter. Men det här enzymet skapar specifikt bara en av de två produkterna. Inom kemin kallas denna egenskap för stereospecificitet – den är särskilt viktig för framställning av prekursormolekyler för läkemedel.
”Enzymet är ett imponerande exempel på hur naturen gör kemiska reaktioner möjliga på ett enkelt och genialt sätt”, säger Li.
Under sina undersökningar, som delvis utfördes vid den schweiziska ljuskällan SLS, upptäckte PSI-forskarna enzymets hemlighet: en järnhaltig grupp i dess inre, liknande det järnhaltiga pigmentet i våra röda blodkroppar. Denna heme-grupp binder epoxidringen, och det är så den gör reaktionen så enkel och effektiv.
Andra delar av undersökningarna utfördes av Volodymyr Korkhovs grupp, även han från PSI Laboratory for Biomolecular Research och docent vid institutionen för biologi vid ETH Zürich, med hjälp av kryoelektronmikroskopi.
Li och Kammerer är övertygade om att enzymet kommer att visa sig vara mycket användbart inom den kemiska industrin och läkemedelsindustrin. ”Det är hittills det enda kända bakteriella enzymet som katalyserar Meinwald-reaktionen”, understryker Kammerer. Med enzymets hjälp skulle industrin kunna producera prekursorer för läkemedel och viktiga kemikalier under energisparande och miljövänliga förhållanden.
Li tillägger: ”Enzymet skulle potentiellt kunna förändras så att det kan producera många nya substanser.”
Enzymet är dessutom mycket stabilt och lämpar sig därför för storskaliga industriella tillämpningar.
”Det kommer säkert att bli ett nytt, viktigt verktyg för den cirkulära ekonomin och grön kemi”, är PSI-forskarna övertygade om.
Ytterligare information: Structural basis of the Meinwald rearrangement catalyzed by styrene oxide isomerase, Nature Chemistry (2024). DOI: 10.1038/s41557-024-01523-y
