آنزیمهای مهندسیشده برای ساخت پیوندهای کربن–کربن و کربن–نیتروژن
پژوهشگران مؤسسه بیوتکنولوژی منچستر (MIB)، از جمله دکتر زکری بیرچ-پرایس و پروفسور آنتونی گرین، خانواده جدیدی از آنزیمهای مهندسیشده را توسعه دادهاند که قادرند چندین نوع مختلف از پیوندهای شیمیایی مورد استفاده در ساخت مولکولهای پیچیده را با انتخابپذیری بالا ایجاد کنند. این پژوهش نشان میدهد که میتوان آنزیمهای مصنوعی را برای انجام طیف گستردهای از واکنشهای تشکیل پیوند کربن–کربن (C–C) و کربن–نیتروژن (C–N) مهندسی کرد؛ دستاوردی که چشماندازهای جدیدی را در زمینه کاتالیز زیستی (Biocatalysis) و سنتز انتخابی ترکیبات شیمیایی فراهم میکند.
این مطالعه که در مجله معتبر Nature Catalysis منتشر شده است، به یکی از چالشهای مهم شیمی میپردازد: طراحی کاتالیزورهای زیستی که بتوانند ساختارهای مولکولی پیچیده را با دقت و انتخابپذیری بالا ایجاد کنند. پیوندهای کربن–کربن و کربن–نیتروژن از مهمترین پیوندهای سازنده در بسیاری از مواد شیمیایی، ترکیبات دارویی و مواد پیشرفته به شمار میروند.
پروفسور آنتونی گرین، استاد زیستشناسی شیمیایی و مدیر مؤسسه بیوتکنولوژی منچستر، درباره این پژوهش میگوید: «کاتالیز زیستی توانایی ما برای انجام بسیاری از واکنشهای شیمیایی با استفاده از آنزیمها را متحول کرده است، اما هنوز بخشهای مهمی از شیمی وجود دارند که دسترسی به آنها دشوار است. در این پژوهش نشان دادیم که میتوان آنزیمهای مصنوعی را برای انجام طیف گستردهای از واکنشهای تشکیل پیوند مهندسی کرد. نکته هیجانانگیز این است که یک راهبرد کاتالیزی مشترک میتواند برای کار با واکنشدهندههای مختلف سازگار شود. این انعطافپذیری میتواند پایهای برای توسعه نسل جدیدی از پلتفرمهای آنزیمی باشد که قادر به تولید طیف گستردهای از ساختارهای شیمیایی ارزشمند هستند.»
توسعه خانواده جدیدی از آنزیمهای انتقالدهنده
برای گسترش مسیرهای واکنشی موجود در آنزیمهای طبیعی، پژوهشگران پروتئینهایی را مهندسی کردند که حاوی یک اسیدآمینه کاتالیزوری غیرطبیعی بودند. این تغییر امکان توسعه خانواده جدیدی از آنزیمها با عنوان آلیلک ترانسفرازها (Allylic Transferases) را فراهم کرد.
این آنزیمها حدواسطهای بسیار واکنشپذیر ایمیدازولیوم (Imidazolium) را ایجاد میکنند. این حدواسطها میتوانند توسط طیف متنوعی از مولکولهای حاوی کربن و نیتروژن مورد حمله قرار گیرند و در نتیجه، محصولات مختلفی با انتخابپذیری بالا تولید شوند.
پژوهشگران برای بهبود عملکرد این آنزیمها از روش تکامل هدایتشده (Directed Evolution) استفاده کردند. یکی از گونههای تکاملیافته که ASB1.3 نام گرفت، در چندین واکنش توانست به بیش از ۹۹ درصد تبدیل دست یابد و محصولاتی با خلوص فضایی بالا تولید کند. همچنین در یک واکنش در مقیاس تهیهای، این آنزیم توانست ترکیب هدف را با ۹۸ درصد تبدیل تولید کند.
گونه آنزیمی دیگری با نام ASA1.5 نیز امکان تشکیل مولکولهایی دارای مرکز فضایی چهارظرفیتی کاملاً کربنی را فراهم کرد؛ ساختارهایی که سنتز انتخابی آنها با روشهای شیمیایی متداول میتواند چالشبرانگیز باشد. این آنزیم نیز در آزمایشهای مقیاس تهیهای به ۹۸ درصد تبدیل دست یافت.
دامنه گسترده واکنشدهندههای قابل استفاده
پژوهشگران نشان دادند که آنزیمهای مهندسیشده میتوانند با طیف گستردهای از واکنشدهندهها وارد واکنش شوند. این ترکیبات شامل فورانهای استخلافشده، ایندولها، پیرولها، سیانواسترها، دیکتونها، کتواسترها، آنیلینها و ایساتینها بودند.
در واکنشهای بررسیشده، آنزیمها در اغلب موارد یک محصول اصلی را با انتخابپذیری بسیار بالا تولید کردند و بهجز گروه ترککنندهای که برای پایش واکنش آزاد میشد، محصول جانبی قابل مشاهدهای تشکیل نشد.
گسترش جعبهابزار کاتالیز زیستی
آنالیز ساختاری آنزیمها اطلاعات جدیدی درباره نحوه ایجاد این انتخابپذیری در اختیار پژوهشگران قرار داد. نتایج نشان داد که گروه پاراآمینوفنول (para-nitrophenol) که در جریان واکنش آزاد میشود، ممکن است در جایگاه فعال آنزیم باقی بماند و به تنظیم جهتگیری واکنشدهندههای ورودی کمک کند.
این فرایند میتواند نقش مهمی در ایجاد تشکیل انتخابی پیوندها از نظر فضایی (Stereoselective Bond Formation) داشته باشد و توضیحی برای دقت بالای آنزیمهای مهندسیشده ارائه دهد.
اگرچه برای استفاده گستردهتر از این آنزیمها همچنان به تحقیقات و توسعه بیشتری نیاز است، این مطالعه دامنه واکنشهای شیمیایی قابل انجام با استفاده از کاتالیز زیستی را گسترش میدهد. یافتههای پژوهش نشان میدهد که کاتالیزورهای پروتئینی مهندسیشده میتوانند مسیرهای جدیدی برای دستیابی به ساختارهای مولکولی فراهم کنند که تولید انتخابی آنها با کاتالیزورهای مولکولی کوچک متداول دشوار است.
دکتر زکری بیرچ-پرایس، نویسنده اول این مقاله، میگوید: «با ترکیب مهندسی آنزیمها با شیمی کاتالیزی غیرطبیعی، توانستیم خانوادهای از آنزیمهای تشکیلدهنده پیوند را ایجاد کنیم که پیش از این در جعبهابزار کاتالیز زیستی وجود نداشتند. امیدواریم این یافتهها به توسعه پلتفرمهای آنزیمی آینده برای سنتز انتخابی ترکیبات شیمیایی کمک کند.»
این پژوهش نمونهای از پیشرفتهای جدید در مهندسی آنزیم، کاتالیز زیستی و سنتز شیمیایی انتخابی است و میتواند در آینده به طراحی روشهای کارآمدتر برای تولید ترکیبات پیچیده مورد استفاده در صنایع دارویی، شیمیایی و مواد پیشرفته کمک کند.
نتیجهگیری
توسعه این خانواده جدید از آنزیمهای مهندسیشده نشان میدهد که میتوان با ترکیب مهندسی پروتئین، تکامل هدایتشده و شیمی کاتالیزی غیرطبیعی، قابلیتهای آنزیمها را فراتر از واکنشهای طبیعی گسترش داد. این آنزیمها قادرند پیوندهای کربن–کربن و کربن–نیتروژن را با تبدیل بالا و انتخابپذیری فضایی چشمگیر ایجاد کنند و حتی ساختارهای پیچیدهای مانند مراکز کربنی چهارظرفیتی را بسازند.
این یافتهها گامی مهم در گسترش جعبهابزار کاتالیز زیستی محسوب میشوند و میتوانند در آینده به توسعه روشهای پایدارتر و دقیقتر برای سنتز ترکیبات پیچیده در حوزههای دارویی، شیمیایی و مواد پیشرفته کمک کنند.
