De speciale chemie van boor kan nu ook enzymatisch worden uitgevoerd | Nieuws

Enzymen zijn er in alle soorten en maten, waardoor er een grote verscheidenheid aan chemische processen mee kan worden uitgevoerd, waaronder talloze synthetische toepassingen. Er zijn echter grenzen. Antwoorden op basis van het element boor vallen bijvoorbeeld buiten het bereik. Tenminste, tot nu toe.

‘Boor is een klein vergeten kind. Het biedt unieke chemische mogelijkheden en komt vrij veel voor op aarde, maar zit vaak ingekapseld in mineralen en gesteenten en is daarom niet erg toegankelijk. Geen enkel natuurlijk enzym bevat boor”, zegt onderzoeksleider Gerard Roelfes, hoogleraar biomoleculaire chemie en katalyse aan de Rijksuniversiteit Groningen. “Boorchemie en katalyse maken reactiemechanismen mogelijk die niet in de natuur voorkomen.” Op een nieuwe manier heeft de groep van Roelfes een designerenzym gecreëerd waarin ze genetisch een boorzuur hebben gecodeerd.

boor enzymen

Volgens Roelfes kan zo’n ‘boorenzym’ de boorchemie op een duurzamere manier uitvoeren. “Door mildere reactieomstandigheden, zoals water als oplosmiddel, en lagere reactietemperaturen is biokatalyse met enzymen veel milieuvriendelijker dan klassieke organische chemie.” Maar groene chemie is niet de enige reden waarom boorenzymen interessant zijn. ‘Enzymen zijn fantastische katalysatoren. De katalytische site zorgt voor meer controle, snellere reacties en hoge stereoselectiviteit. Conventionele boorkatalyse kent vrijwel geen voorbeelden van stereoselectiviteit, dus met ons enzym kun je echt iets nieuws doen.’

Hoewel het inbouwen van boorzuur relatief eenvoudig was (“dat soort dingen doen we al jaren”), was de grootste uitdaging het vinden van een geschikte reactie. “Met boor zijn veel reacties mogelijk, maar de katalytische site heeft uiteraard maar beperkte ruimte”, legt Roelfes uit. De reactie moet ook kunnen functioneren in water bij lage temperatuur en mag geen interactie hebben met andere functionele groepen van het enzym zelf. ‘Je moet ook de juiste positie in het eiwit vinden. We worden er steeds meer experts in, maar elk nieuw designer-enzym is een avontuur.’

Gerichte evolutie

De onderzoekers voegden het designerenzym toe Natuur-rol het niet-canonieke aminozuur paraca-boronofenylalanine in. Deze boorzuurgroep katalyseert de stereoselectieve condensatiereactie van α-hydroxyketonen met hydroxylamine om een ​​oxim te vormen. Roelfes: “De reactie vindt plaats met de zogenaamde kinetische resolutie, dat wil zeggen dat ze begint met een racemisch mengsel van het substraat, waaruit vervolgens selectief een enantiomeer wordt getransformeerd.” De onderzoekers bevestigden onder meer met EM ^elfB-NMR – ‘een duidelijk voorbeeld van postdoc Lars Longwitz’ – is feitelijk een reactiemechanisme voor boorzuur, dat nergens anders in de natuur voorkomt. Later testten de eerste auteurs Longwitz en Reuben Leveson-Gower het enzym boor gerichte evolutie geoptimaliseerd, waardoor het nu zeer selectief is.

De mogelijkheden die enzymen bieden om organische synthese uit te voeren blijven Roelfes verrassen. ‘Ik ben opgeleid als klassiek organisch chemicus en heb toen geleerd dat voor de extractie alleen water wordt gebruikt. Maar als je de juiste parameters kunt vinden, zul je zien hoeveel chemie je kunt doen in zulke milde omstandigheden. Chemie waarvan je niet zou verwachten dat deze mogelijk is in water. Denk dus niet te snel aan absolute waarheden, vaak blijkt dat het ook anders kan.’

Grote stap

Dit eerste boorenzym biedt voornamelijk a bewijs van principe, maar het is een belangrijke eerste stap. “Zo ontdek je waartoe het enzym in staat is, wat je moet doen om het te activeren en hoe je dat uiteindelijk kunt vertalen naar andere belangrijke reacties”, zegt Roelfes. “Voor de farmaceutische industrie zijn er bijvoorbeeld nog steeds klassen van complete reacties die niet met enzymen kunnen worden uitgevoerd, zoals nucleofiele aromatische substitutie of kruiskoppelingen.”

Als het met een boormachine kan, zijn er uiteraard nog veel meer mogelijkheden. Roelfes: ‘Vergeleken met de bipyridines en anilines waarmee we begonnen zijn, is het inbrengen van boor in een enzym echt een grote stap richting de natuur. Dus als je naar het periodiek systeem kijkt, zijn er nog steeds veel elementen die ik wil onderzoeken. We spelen ermee, maar ik wil dat je er in de loop van de tijd nuttige chemie mee kunt creëren, en er geen gimmick van kunt maken. Als er nieuwe reacties gevonden kunnen worden die alleen met dit soort designer-enzymen kunnen worden uitgevoerd, kunnen er interessante toepassingen ontstaan.’

Longwitz, L., Leveson-Gower, RB et al. NatuurDOI: 10.1038/s41586-024-07391-3