Sztuczny metaloenzym

Sztuczny metaloenzym (ArM) to wytworzona w laboratorium metaloproteina , której nie można znaleźć w przyrodzie, a która może katalizować pewne pożądane reakcje chemiczne. Pomimo dopasowania do klasycznych kategorii enzymów, ArMs mają również potencjał reaktywności chemicznej, takiej jak katalizowanie sprzęgania Suzuki , metateza i tak dalej, które nigdy nie są zgłaszane w naturalnej reakcji enzymatycznej. Wraz z postępem w syntezie metaloorganicznej i inżynierii białek pojawiało się coraz więcej nowych rodzajów konstrukcji ArM, wykazujących obiecującą przyszłość zarówno w aspekcie akademickim, jak i przemysłowym.

W 2018 roku połowa Nagrody Nobla w dziedzinie chemii została przyznana Frances H. Arnold „za ukierunkowaną ewolucję enzymów”, która w elegancki sposób wyewoluowała sztuczne metaloenzymy w celu przeprowadzenia wydajnej i wysoce selektywnej abiotycznej reakcji chemicznej in vitro i in vivo .

Pochodzenie

Pochodzący z 1956 roku udokumentowano pierwszy katalizator z metalem przejściowym modyfikowany białkiem. Sól palladu (II) została zaabsorbowana na włóknie fibroiny jedwabiu , zredukowana wodorem, aby uzyskać pierwszy zgłoszony ArM, który może katalizować asymetryczne uwodornienie .

Asymetryczne uwodornienie katalizowane przez kompleks fibroiny Pd-jedwab

Pierwszą próbę zakotwiczenia abiotycznego centrum metalu na białku opisał Whitesides , wykorzystując interakcję biotyna - awidyna , tworząc sztuczną hydrogenazę. Obecność awidyny może znacznie zwiększyć zdolność katalityczną kofaktora rodu(I) w wodnym buforze fosforanowym.

Pierwsze uwodornienie katalizowane przez biotynylowany ArM.

Tworzenie

Zakotwiczenie kofaktora abiotycznego

Istnieją cztery główne typy wytwarzania służące do lokalizacji kofaktora sztucznego metalu w celu wytworzenia ArM, w tym kowalencyjne, supramolekularne, podstawienie metalem i celownik.

kowalencyjne

Wraz z rozwojem technologii biokoniugacji istnieje wiele możliwości kowalencyjnego ligowania sztucznego kofaktora metalu z białkiem: i) chemia oparta na resztach cysteiny , taka jak: Cys- meleimid , Cys- α -haloketon , chemia Cys-benzylohalogenku i tworzenie dwusiarczków , ii ) potranslacyjna modyfikacja bioortogonalna oparta na supresji Ambera (np. chemia Click) oraz iii) modyfikacja miejsca aktywnego enzymu (np. tworzenie wiązań kowalencyjnych między lipazą a inhibitorem lipazy).

Różne podejścia do kotwienia sztucznych kofaktorów metalowych. (Kula: Białko; Kwadrat: Kofaktory metali)

Film pokazuje przykład wykorzystania reakcji między resztą cysteiny a α -haloketonem w celu wprowadzenia ligandu fenantroliny do białka wiążącego lipidy adipocytów. W tym kontekście ArM może selektywnie hydrolizować pewne racemiczne estry.

Sztuczna oksydaza oparta na kompleksie Cu(II)-bipirydyna połączona z cysteiną w miejscu aktywnym białka wiążącego lipidy adipocytów (PDB: 1A18 ). Sztuczny ligand pokazał się na czerwono (nie pokazano miedzi).

Supramolekularny

Awidyna i kofaktor biotynylowanego sztucznego metalu to najczęściej stosowana strategia supramolekularna do wytwarzania ArM. W przykładzie pokazanym poniżej ligand kompleksu Ru(I) zmodyfikowano biotyną, a następnie cały kompleks nałożono na streptawidynę poprzez oddziaływanie biotyna-awidyna. Powstały ArM może katalizować redukcję prochiralnych ketonów . Wykorzystując kontekst białkowy, różne mutanty strepawidyny mogą osiągnąć różną selektywność stereochemiczną poprzez bezpośrednią ewolucję. Na przykład Mutant L124V może selektywnie redukować pewien keton do R -alkoholu, podczas gdy S112A-K121N może redukować tę samą substancję do S -alkoholu.

ArM wykorzystujący interakcję biotyna-streptawidyna do zakotwiczenia kofaktora sztucznego metalu (PDB: 2QCB )

Oprócz ArM opartych na biotynie i awidynie, inną ważną próbą wykorzystania interakcji supuramolekularnych jest rozpoznawanie antygen-przeciwciało. Po raz pierwszy opisany w 1989 roku przez Lernera, ArM oparty na przeciwciałach monoklonalnych jest wytwarzany w celu hydrolizy specyficznego peptydu.

Zastąpienie metalu

Centrum kofaktora naturalnego jonu metalu zostało zastąpione metalem nierodzimym, aby uzyskać wyjątkową reaktywność.

Substytucja metalu w naturalnym kofaktorze

Celownik

Strategia zakotwiczania celownika wykorzystuje naturalne reszty aminokwasowe w białku, takie jak His, Cys, Glu, Asp i Ser, aby koordynować z metalowym centrum. Podobnie jak w przypadku pierwszego przykładu fibroiny Pd, kotwiczenie celownika nie jest obecnie powszechnie stosowane i często skutkowało bardziej niejednoznacznym miejscem wiązania metalu w porównaniu z trzema poprzednimi metodami.

Szkielet białkowy i ewolucja

Oprócz zakotwiczenia sztucznego centrum metalu w białku, naukowcy tacy jak Frances Arnold skupili się również na zmianie rodzimego środowiska naturalnego kofaktora metalu. Ze względu na kontekst białkowy, w którym zlokalizowane jest centrum katalityczne metalu, ArM mają dużą przestrzeń sekwencji do ewolucji, aby spełnić różne wymagania dotyczące specyficzności substancji oraz regio- i enancjoselektywności. Wykorzystano ukierunkowaną ewolucję, aby dostosować zdolność katalityczną i zmienić przeznaczenie funkcji enzymu. oparte głównie na natywnym porfiryna -metal, opracowało wiele ArMs, które mają unikalne ArMs do katalizowania regioselektywnego i/lub enancjoselektywnego tworzenia wiązań węgiel- bor , insercji karbenu i aminohydroksylacji poprzez ewolucję kontekstu sekwencji odpowiednich ArM.

Funkcjonować

Wydzielające się wodne katalizatory asymetryczne

Jako katalizator, ArM mają trzy zalety:

dzięki rozwojowi biologii molekularnej dość łatwo jest wygenerować bibliotekę mutantów ArM o rozmiarze do 10 ⁸ . Przy zastosowaniu odpowiedniej metody selekcji ArM ma duży potencjał do uzyskania unikalnych właściwości katalitycznych.
ArMs są białkami, w roztworze wodnym mogą mieć zarówno powierzchnię hydrofilową, jak i hydrofobową. Zakotwiczenie sztucznego kofaktora, który nie jest łatwo rozpuszczalny w wodzie, pomogłoby mu funkcjonować w fazie wodnej. W niektórych strukturach hydrofobowa wnęka chroniłaby niektóre nietrwałe wiązania (jak wiele karbenów lub kompleksów nitren-metal w Arnold ArM).
Podstawą ArM jest asymetryczne środowisko. W niektórych przypadkach syntezę enancjoselektywną można dostroić, zmieniając jedną lub dwie reszty aminokwasowe wokół centrum katalitycznego metalu.

Jak dotąd ArMs może katalizować wiele reakcji chemicznych, takich jak: alkilowanie allilu, aminowanie allilu , reakcja aldolowa , utlenianie alkoholu, aktywacja CH , reakcja kliknięcia , utlenianie katecholu , redukcja CO _{2 ,} cyklopropanacja , reakcja Dielsa-Aldera , epoksydacja , epoksyd otwarcie pierścienia, alkilowanie Friedela-Craftsa , uwodornienie , hydroformylowanie , reakcja Hecka , metateza, addycja Michaela , redukcja azotynów , redukcja NO, reakcja Suzuki, insercja Si-H, polimeryzacja ( polimeryzacja rodnikowa z przeniesieniem atomu ).