Artificiellt metalloenzym
Ett artificiellt metalloenzym (ArM) är ett metalloprotein tillverkat i laboratoriet som inte kan hittas i naturen och kan katalysera vissa önskade kemiska reaktioner. Trots att de passar in i klassiska enzymkategorier har ArMs också potential i kemisk reaktivitet som att katalysera Suzuki-koppling , metates och så vidare, som aldrig rapporteras i naturlig enzymreaktion. Med framstegen inom organometallisk syntes och proteinteknik, kom fler och fler nya typer av design av ArMs, som visar en lovande framtid i både akademiska och industriella aspekter.
tilldelades hälften av Nobelpriset i kemi till Frances H. Arnold "för den riktade utvecklingen av enzymer", som elegant utvecklade de artificiella metallenzymer för att realisera effektiva och mycket selektiva abiotisk kemisk reaktion in vitro och in vivo .
Ursprung
Daterad tillbaka till 1956 dokumenterades den första proteinmodifierade övergångsmetallkatalysatorn. Palladium (II)-saltet absorberades på silkesfibroinfiber , reducerat med väte för att få den första rapporterade ArM, som kan katalysera asymmetrisk hydrogenering .
Första försöket att förankra ett abiotiskt metallcentrum på ett protein rapporterades av Whitesides med hjälp av biotin - avidin -interaktion, vilket gör ett artificiellt hydrogenas. Närvaron av avidin kan signifikant öka den katalytiska kapaciteten hos Rhodium(I) -kofaktor i vattenhaltig fosfatbuffert.
Bildning
Abiotisk kofaktorförankring
Det finns fyra huvudtyper av tillverkning för att lokalisera den artificiella metallkofaktorn för att göra en ArM, inklusive kovalent, supramolekylär, metallsubstitution och dativ.
Kovalent
Med utvecklingen av biokonjugeringsteknologi finns det gott om alternativ för att kovalent ligera en artificiell metallkofaktor till ett protein: i) cysteinrester baserad kemi som: Cysmeleimid, Cys - α -haloketon , Cys-bensylhalogenidkemi och disulfidbildning , ii ) posttranslationell bioortogonal modifiering baserad på bärnstensdämpning (t.ex. klickkemi) och iii) modifiering av enzymaktivt ställe (t.ex. kovalent bindning mellan lipas och lipasinhibitor).
Videon visar ett exempel som använder reaktion mellan cysteinrest och a -haloketon för att introducera en fenantrolinligand i ett adipocyt-lipidbindande protein. I detta sammanhang kan ArM selektivt hydrolysera vissa racemiska estrar.
Supramolekylär
Avidin och biotinylerad artificiell metallkofaktor är den mest använda supramolekylära strategin för att göra en ArM. I exemplet som visas nedan modifierades liganden av Ru(I)-komplexet med biotin och sedan laddades hela komplexet på streptavidin genom biotin-avidin-interaktion. Den resulterande ArM kan katalysera minskningen av prokirala ketoner . Med fördelarna med proteinsammanhang kan olika mutanter av strepavidin uppnå olika stereokemiselektivitet genom direkt evolution. Till exempel kan Mutant L124V selektivt reducera viss keton till R -alkohol medan S112A-K121N kan reducera samma substans till S -alkohol.
Förutom biotin-avidinbaserade ArMs är ett annat viktigt försök att använda supuramolekylär interaktion antigen-antikroppsigenkänning. Först rapporterades 1989 av Lerner, en monoklonal antikroppsbaserad ArM framställs för att hydrolysera specifik peptid.
Metallersättning
Naturligt metalljon-kofaktorcentrum ersattes med icke-naturlig metall för att uppnå unik reaktivitet.
Dativ
Den dativa förankringsstrategin använder naturliga aminosyrarester i proteinet som His, Cys, Glu, Asp och Ser för att koordinera till ett metallcentrum. Liksom det första exemplet på Pd-fibroin, är dativförankring inte vanligt förekommande nu och resulterade ofta i ett mer tvetydigt bindningsställe för metall jämfört med tidigare tre metoder.
Protein ryggrad och Evolution
Förutom att förankra konstgjord metallcentrum på ett protein, fokuserade forskare som Frances Arnold också på att förändra den inhemska miljön för naturlig metallkofaktor. På grund av proteinsammanhanget i vilket det katalytiska metallcentret är beläget, har ArMs ett stort sekvensutrymme att utvecklas för att möta olika krav på substansspecificitet och regio- och enantioselektivitet. Riktad evolution användes för att skräddarsy den katalytiska kapaciteten och återanvända enzymfunktionen. Mestadels baserat på naturlig porfyrin -metallkofaktor, har Arnolds labb utvecklat många ArMs har unika ArMs för att katalysera regioselektiva och/eller enantioselektiva kol - borbindningsbildning , karbeninsättning och aminohydroxylering genom att utveckla sekvenskontexten för motsvarande ArMs.
Fungera
En utvecklingsbar vattenhaltig asymmetrisk katalysator
Som katalysator har ArMs tre fördelar,
- tack vare utvecklingen inom molekylärbiologi är det ganska enkelt att skapa ett bibliotek av ArM-mutanter som har en storlek upp till 10 8 . Genom att använda rätt urvalsmetod har ArM en stor potential att få unika katalytiska egenskaper.
- ArMs är proteiner, det kan ha både hydrofil och hydrofob yta i vattenlösningen. Förankring av den artificiella kofaktorn som inte är lätt att lösa i vatten skulle hjälpa den att fungera i vattenfas. I någon struktur skulle den hydrofoba kaviteten skydda någon labil bindning (som många karben- eller nitre-metallkomplex i Arnold ArMs).
- Själva ryggraden i ArM är en asymmetrisk miljö. I vissa fall kan den enantioselektiva syntesen ställas in genom att ändra en eller två aminosyrarester runt metallens katalytiska centrum.
Hittills kan ArMs katalysera många kemiska reaktioner, såsom: allylisk alkylering, allylisk aminering , aldolreaktion , alkoholoxidation, CH-aktivering , klickreaktion , katekoloxidation , CO 2 -reduktion, cyklopropanering , Diels-Alder-reaktion , epoxidation , epoxid ringöppning, Friedel-Crafts-alkylering , hydrering , hydroformylering , Heck-reaktion , metates, Michael-addition , nitritreduktion , NO-reduktion, Suzuki-reaktion, Si-H-insättning, polymerisation ( atomöverföringsradikalpolymerisation ).