L'impianto di iridio crea un metalloenzima bionico / Iridium Implant Makes for a Bionic Metalloenzyme
L'impianto di iridio crea un metalloenzima bionico / Iridium Implant Makes for a Bionic Metalloenzyme
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Possiamo ricostruirlo. Abbiamo la tecnologia. Possiamo renderlo migliore di prima. Meglio... più forte... più veloce.
Con le scuse di Oscar Goldman, il "esso" qui non è un cyborg costoso, ma piuttosto una mioglobina sostituita con iridio, una metalloproteina che è normalmente costruita attorno al ferro. Con un metallo nobile al centro piuttosto che il comune metallo di transizione, la mioglobina espande i suoi poteri chimici. In particolare, diventa in grado di convertire un legame carbonio-idrogeno in un legame singolo carbonio-carbonio. In effetti, la mioglobina sostituita dall'iridio catalizza una reazione per la quale non è noto alcun enzima naturale o ingegnerizzato.
Poiché la mioglobina sostituita dall'iridio è ancora naturale, ma non del tutto naturale, è, in un certo senso, "bionica". Potrebbe anche essere chiamato, in modo meno stravagante, "abiotico", come lo era in un articolo apparso il 13 giugno sulla rivista Nature. L'articolo, intitolato "Abiological Catalysis by Artificial Haem Proteins Containing Noble Metals in Place of Iron", descriveva come gli scienziati del DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory hanno cercato di ottenere il meglio da entrambi i mondi: catalizzatori chimici e catalizzatori biologici. I catalizzatori chimici costruiti con metalli preziosi consentono una serie di reazioni molto più ampia rispetto agli enzimi. Ma gli enzimi sono altamente specifici. Soprattutto, catalizzano le reazioni chimiche negli organismi viventi.
"Molti enzimi contengono metalli, ma quel metallo è solitamente ferro o rame e l'insieme delle reazioni catalizzate dal ferro o dal rame è molto più piccolo dell'insieme delle reazioni catalizzate dai metalli preziosi", ha affermato John Hartwig, Ph.D., un scienziato senior della facoltà nella divisione di scienze chimiche del laboratorio di Berkeley. “Gli enzimi catalizzano le reazioni necessarie per la vita, non le reazioni necessarie per creare gli oggetti quotidiani che ci circondano. Abbiamo trovato un modo per sostituire il ferro nella mioglobina proteica con un metallo prezioso, che ha prodotto un enzima artificiale che ha la diversa reattività del metallo prezioso combinata con l'elevata selettività e capacità di funzionare in condizioni miti che si trovano in un enzima".
Nell'articolo di Nature, il dottor Hartwig e colleghi hanno descritto come hanno sostituito il ferro nelle proteine Fe-porfirina IX (Fe-PIX) con metalli nobili abiologici per creare enzimi che catalizzano reazioni non catalizzate da enzimi Fe nativi od altri metalloenzimi.
"Abbiamo preparato mioglobine modificate contenenti un sito Ir(Me) che catalizzano la funzionalizzazione dei legami C-H per formare legami C-C mediante inserimento di carbene e aggiungere carbeni sia ai vinilareni β-sostituiti che alle α-olefine alifatiche non attivate", hanno scritto gli articoli ' autori. "Abbiamo condotto l'evoluzione diretta dell'Ir(Me)-mioglobina e generato mutanti che formano entrambi gli enantiomeri dei prodotti dell'inserzione di C-H e catalizzano la ciclopropanazione enantio- e diastereoselettiva delle olefine inattivate".
I ricercatori hanno iniziato manipolando i batteri Escherichia coli per creare mioglobina priva di ferro. Hanno quindi incorporato l'iridio nella proteina muscolare nel sito in cui normalmente si troverebbe il ferro. Gli esperimenti hanno mostrato che l'iridio potrebbe essere legato al sito tipicamente occupato dal ferro in modo che la mioglobina possa funzionare come un nuovo enzima.
"Forse la cosa più importante, questo nuovo enzima artificiale può essere sviluppato in laboratorio per formare selettivamente un prodotto su un altro", ha osservato il dottor Hartwig. “Vogliamo prendere i catalizzatori creati dai chimici e combinarli con enzimi presenti in natura. Possiamo usare quella struttura per controllare la selettività dei prodotti creati”.
In sostanza, il gruppo del dottor Hartwig ha trovato un nuovo modo per combinare due diversi tipi di catalizzatori. La preparazione di proteine eme artificiali contenenti porfirine metalliche biologiche potrebbe portare alla generazione di enzimi artificiali per catalizzare un'ampia gamma di trasformazioni biologiche.
"Questa è la prima prova di principio di una nuova strategia di catalisi", ha affermato il dottor Hartwig. “Abbiamo modificato sinteticamente una proteina per conferirle la funzionalità di un catalizzatore chimico, mantenendo una quantità sufficiente di biologia per consentirci di utilizzare metodi di biologia molecolare per far evolvere nuove funzioni. Il potenziale a lungo termine di questo approccio sembra illimitato".
ENGLISH
We can rebuild it. We have the technology. We can make it better than it was. Better…stronger…faster.
With apologies to Oscar Goldman, the “it” here isn’t an expensive cyborg, but rather an iridium-substituted myoglobin, a metalloprotein that is ordinarily built around iron. With a noble metal at its heart rather than the common transition metal, myoglobin expands its chemical powers. Specifically, it becomes capable of converting a carbon–hydrogen bond to a carbon–carbon single bond. In fact, the iridium-substituted myoglobin catalyzes a reaction for which there is no known natural or engineered enzyme.
Because the iridium-substituted myoglobin is still natural, but not quite natural, it is, in a sense, “bionic.” It could also be called, less extravagantly, “abiotic,” as it was in an article that appeared June 13 in the journal Nature. The article, entitled “Abiological Catalysis by Artificial Haem Proteins Containing Noble Metals in Place of Iron,” described how DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory scientists tried to get the best of both worlds—chemical catalysts and biological catalysts. Chemical catalysts built from precious metals enable a much larger set of reactions than enzymes. But enzymes are highly specific. Most important, they catalyze the chemical reactions in living organisms.
“Many enzymes contain metals, but that metal is usually iron or copper, and the set of reactions catalyzed by iron or copper is much smaller than the set of reactions catalyzed by the precious metals,” said John Hartwig, Ph.D., a senior faculty scientist in Berkeley Lab's Chemical Sciences Division. “Enzymes catalyze reactions necessary for life, not the reactions needed to create the everyday objects around us. We found a way to replace the iron in the protein myoglobin with a precious metal, which resulted in an artificial enzyme that has the diverse reactivity of the precious metal combined with the high selectivity and capability to function under mild conditions found in an enzyme.”
In the Nature article, Dr. Hartwig and colleagues described how they replaced the iron in Fe-porphyrin IX (Fe-PIX) proteins with abiological, noble metals to create enzymes that catalyze reactions not catalyzed by native Fe-enzymes or other metalloenzymes.
“We prepared modified myoglobins containing an Ir(Me) site that catalyse the functionalization of C–H bonds to form C–C bonds by carbene insertion and add carbenes to both β-substituted vinylarenes and unactivated aliphatic α-olefins,” wrote the articles’ authors. “We conducted directed evolution of the Ir(Me)-myoglobin and generated mutants that form either enantiomer of the products of C–H insertion and catalyse the enantio- and diastereoselective cyclopropanation of unactivated olefins.”
The researchers started by manipulating Escherichia coli bacteria to create myoglobin that lacked iron. They then incorporated iridium into the muscle protein at the site where iron would normally be. Experiments showed that iridium could be bound at the site typically occupied by iron so that myoglobin could function as a new enzyme.
“Perhaps most important, this new artificial enzyme can be evolved in the laboratory to selectively form one product over another,” noted Dr. Hartwig. “We want to take the catalysts that chemists have created and combine them with naturally occurring enzymes. We can use that structure to control the selectivity of the products created.”
Essentially, Dr. Hartwig’s team found a novel way to combine two different types of catalysts. Preparing artificial heme proteins containing abiological metal porphyrins could lead to the generation of artificial enzymes to catalyze a wide range of abiological transformations.
“This is the first proof of principle of a new strategy to catalysis,” stated Dr. Hartwig. “We've synthetically changed a protein to give it the functionality of a chemical catalyst while keeping in enough of the biology to allow us to use methods of molecular biology to evolve new functions. The long-term potential of this approach seems limitless.”
Da:
https://www.genengnews.com/news/iridium-implant-makes-for-a-bionic-metalloenzyme/
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