Neues Verfahren erleichtert die Herstellung von Aminosäuren, die in der Natur nicht vorkommen

Jedes Protein in Ihrem Körper besteht aus denselben 20 Bausteinen, den sogenannten Aminosäuren. Aber nur weil die Natur nur über einen begrenzten Werkzeugkasten verfügt, heißt das nicht, dass der Mensch ihn nicht erweitern kann.

Eine Studie veröffentlichtin Science von einem Team, zu dem auch Pitt-Chemiker gehören, beschreibt einen leistungsstarken neuen Weg zur Herstellung „unnatürlicher“ Aminosäuren, die in proteinbasierten Therapien Verwendung finden und neue Zweige der organischen Chemie eröffnen könnten.

„Dies ist eine völlig neue Transformation: neu für die Natur und neu für die Chemie“, sagte Peng Liu, Professor für Chemie an der Kenneth P. Dietrich School of Arts and Sciences und korrespondierender Autor des Artikels. „Es ist ungewöhnlich, einem Enzym zu sagen, dass es eine unnatürliche Konfiguration einer Aminosäure erzeugen soll, und man muss dies mit sorgfältiger Biotechnik tun.“

Ändern Sie nur ein Stück eines größeren Proteins, und Sie können seine Form und seine Funktion ändern – unnatürliche Aminosäuren sind daher vielversprechend für die Erschließung neuer Arten von Therapien wie Antibiotika oder Immunsuppressiva, die Proteine ​​oder ihre kleineren Verwandten nutzen.

Die Herstellung solcher Moleküle im Labor ist jedoch ein mühsamer, mehrstufiger Prozess: Die Teile der Aminosäure, die sich zu einer Proteinkette verbinden, müssen geschützt werden, während die Forscher den Rest des Moleküls chemisch umwandeln. Die in der neuen Arbeit beschriebene Reaktion ist jedoch einfacher und effizienter und bietet Chemikern ein beispielloses Maß an Kontrolle darüber, wie Atomgruppen im resultierenden Molekül ausgerichtet sind.

Außerdem wird auf ungewöhnliche Weise ein chemisches Werkzeug, ein PLP-Enzym, eingesetzt. Enzyme sind Proteine, die Reaktionen katalysieren. Selbst wenn ihre Funktionen durch Biotechnik verändert werden, können sie normalerweise nur bekannte chemische Prozesse beschleunigen, die Chemiker auf andere, wenn auch langsamere Weise erreichen könnten. Doch gepaart mit einem lichtempfindlichen molekularen Katalysator kann das Enzym in dieser neuen Reaktion weit mehr als das leisten.

„Man kann argumentieren, dass biotechnologisch hergestellte Enzyme eine bessere Effizienz bieten als niedermolekulare Katalysatoren, aber sie katalysieren die gleiche Reaktion“, sagte Liu. „Aber das ist eine völlig neue Reaktion. Es existierte vorher einfach nicht.“

Lius Gruppe verwendet Computersimulationen, um den komplizierten Tanz herauszufinden, der bei einer chemischen Reaktion auf der Ebene von Atomen und Elektronen abläuft, und fügt dem „Was“, das von Gruppen, die Experimente durchführen, entdeckt wurde, das „Warum“ hinzu. Für diese Arbeit arbeitete der Postdoktorand Binh Khanh Mai von Liu und Pitt mit einem Forscherteam an der UC Santa Barbara unter der Leitung von Yang Yang zusammen – eine Zusammenarbeit, die seit 2014 gut läuft, als Yang als Gaststudent einen Sommer in Lius Labor verbrachte .

Liu und Mai untersuchten die von Yangs Gruppe bereitgestellten Daten, um zu verstehen, wie und warum die Reaktion stattfand, und entschlüsselten die Zwischenschritte, die für Chemiker unsichtbar sind. In einem Schritt hat das Duo besonders genau hingeschaut: Ein Elektron muss auf seinem Weg zwischen zwei Molekülen eine ungewöhnlich lange Strecke zurücklegen. „Wir mussten die Wahrscheinlichkeit dafür sorgfältig modellieren, da dies ein neuer Schritt in der Natur ist und den gesamten Reaktionsmechanismus unterstützt“, sagte Liu.

Diesen Modellen liegt eine enorme Rechenleistung zugrunde. Liu nennt Pitts Center for Research Computing als wesentlichen Faktor für den Erfolg des Labors, da die komplexen Simulationen, die die Gruppe durchführt, um die Feinheiten chemischer Reaktionen zu verstehen, Zeit mit hochmodernen, leistungsstarken Supercomputern erfordern.

Dennoch gibt es immer noch offene Fragen und dieses Papier ist nur der erste Schritt in einer Reihe von Kooperationen zwischen den beiden Teams. Wenn sie besser verstehen können, warum die ungewöhnliche Reaktion auftritt, könnte Lius Gruppe die Möglichkeit eröffnen, sie in verschiedenen Kontexten zu nutzen, um eine Vielzahl neuer chemischer Werkzeuge, Medikamente und mehr zu entwickeln.

„Sie können darüber nachdenken, wie viele verschiedene Arten unnatürlicher Aminosäuren Sie herstellen könnten – es gibt eine nahezu unbegrenzte Anzahl“, sagte Liu. „Können wir diese Erkenntnisse also auch nutzen, um andere neue Reaktionen zu entwickeln?“

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der University of Pittsburgh veröffentlicht