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Os pesquisadores desenvolvem um método que dá às enzimas a capacidade de catalisar novas reações naturais
As enzimas são a força motriz catalítica da biologia, ligando as moléculas, separando-as e reconfigurando-as em processos vitais para tudo, desde a digestão até a respiração.
Por Sonia Fernandez - 07/01/2022


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As enzimas são a força motriz catalítica da biologia, ligando as moléculas, separando-as e reconfigurando-as em processos vitais para tudo, desde a digestão até a respiração. Sua disponibilidade, eficiência e especificidade há muito os tornam populares para reações fora dos sistemas biológicos, incluindo aqueles envolvidos na preservação de alimentos, detergentes e diagnóstico de doenças.

"As enzimas são catalisadores privilegiados da natureza", disse o professor assistente de química Yang Yang da UC Santa Barbara. "Eles podem catalisar reações com incrível seletividade." Os esforços nas últimas três décadas também resultaram no desenvolvimento de enzimas customizadas - enzimas evoluíram rapidamente para fins direcionados, para interagir com moléculas específicas, resultando em um alto rendimento dos produtos desejados com seletividades sem paralelo.

No entanto, acrescentou Yang, as reações que as enzimas podem permitir são relativamente limitadas - um repertório um tanto pequeno por sua poderosa capacidade de fazer produtos com eficiência com custos mais baixos de material, energia e meio ambiente.

Para preencher essa lacuna e mesclar o melhor dos dois mundos - versatilidade e seletividade - Yang e sua equipe de pesquisa desenvolveram um método pelo qual certas enzimas podem ser induzidas a facilitar reações úteis que nunca foram observadas anteriormente no mundo biológico, ampliando assim seu repertório e abrindo possibilidades para processos nunca antes conduzidos por enzimas.

"Se pudermos desenvolver essas atividades enzimáticas ditas novas à natureza, teremos biocatalisadores muito poderosos para as indústrias farmacêutica e agroquímica", disse Yang, que escreveu com colegas da UC Santa Barbara e da Universidade de Pittsburgh um artigo publicado em a revista Science .

Química 3D

A estereoquímica (também conhecida como química 3D) é essencial para controlar a bioatividade de medicamentos de pequenas moléculas. A maioria das biomacromoléculas, incluindo DNAs e proteínas, são quirais, o que significa que têm estrutura assimétrica.

"É como sua mão esquerda e sua mão direita: elas têm a mesma aparência, mas não se sobrepõem, o que significa que são quirais", explicou Yang. "Para interagir efetivamente com essas biomacromoléculas quirais, as drogas de moléculas pequenas devem ser projetadas com estereoquímica específica. Muitas vezes, um enantiômero de uma molécula de droga quiral é muito potente, enquanto o outro enantiômero é ineficaz ou mesmo venenoso."

A maneira mais eficiente de criar essas moléculas quirais valiosas é baseada na catálise assimétrica, disse ele, um processo em que um catalisador sob medida produz seletivamente um enantiômero (molécula quiral não sobreposta) em vez de outro. Infelizmente, muitos desafios ainda existem no campo da catálise assimétrica. Em particular, uma classe de reações amplamente utilizadas - a saber, reações radicais ou reações envolvendo intermediários de casca aberta - ainda não sucumbiram à catálise assimétrica. Esse problema há muito tempo ilude os químicos sintéticos.
 
"Os radicais orgânicos são intermediários de reação muito comuns e extremamente ativos na química sintética", disse Yang. "No entanto, sabe-se que controlar a estereoquímica dessas reações é muito, muito difícil."

Existem dois problemas que surgem, ele explicou. Uma é que o radical, uma vez gerado, geralmente não interage fortemente com o catalisador.

"Portanto, não há como impor o estereocontrole sobre essas formações de vínculo mediadas por radicais", disse ele.

Em segundo lugar, muitas vezes há a compensação de seletividade de atividade.

"Se você tem uma espécie altamente ativa, será relativamente difícil controlar a seletividade das reações que envolvem esses intermediários. Portanto, geralmente há uma compensação", disse Yang.

A solução? Evolução direcionada - desenvolva a enzima para ser capaz de controlar o radical.

Seguindo a deixa da engenheira química do Caltech, vencedora do Prêmio Nobel de 2018, Frances Arnold, que foi consultora de pós-doutorado de Yang, a equipe conduziu rodadas iterativas de evolução e triagem de citocromos P450. A superfamília das metaloenzimas é encontrada em todos os reinos da vida que contêm heme - uma molécula que contém ferro - que é essencial para a catálise.

"A evolução dirigida usa essas rodadas de mutação e triagem para otimizar as funções enzimáticas", explicou Yang. "Neste processo, criamos uma enorme biblioteca de variantes de enzimas por manipulação de DNA." Com uma biblioteca de DNA para reações-alvo, os pesquisadores podem expressar e rastrear suas proteínas mutantes para auxiliar na identificação de catalisadores enzimáticos promissores. A enzima melhorada torna-se então a mãe na rodada subsequente de engenharia. Dessa forma, por meio de ciclos iterativos de mutação e triagem, a atividade enzimática e a seletividade ideais são alcançadas.

Usando este método, os pesquisadores foram capazes de redirecionar uma enzima para conduzir uma " reação biocatalítica não natural , ou seja, a ciclização radical de transferência de átomo estereosseletiva", combinando o poder da catálise sintética e o controle que a natureza oferece com a catálise enzimática.

Essa nova capacidade abre muitas possibilidades, incluindo uma variedade mais ampla de moléculas que podem ser acionadas por enzimas recém-desenvolvidas.

"O objetivo geral é aplicar os biocatalisadores que desenvolvemos às indústrias farmacêutica e agroquímica", disse Yang. "Eventualmente, com as novas ferramentas, seremos capazes de desenvolver medicamentos e herbicidas valiosos que serão úteis para a nossa sociedade."

 

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