Eine große Herausforderung ist jedoch die Entwicklung künstlicher Enzyme für synthetisch relevante Reaktionen, die in der Natur nicht stattfinden. Ein Team um Prof. Cathleen Zeymer von der TUM stellte nun eine neue Klasse von Designer-Enzymen vor, die ein Lanthanoid als Cofaktor nutzen und mittels Lichtanregung funktionieren. Sie wurden daher „PhotoLanZymes“ getauft.
Computermodelle und Labor-Experimente werden erfolgreich kombiniert: Das Proteingerüst dieser Enzyme wurde am Computer designt, aber wie in der Biokatalyse üblich von Bakterien im Labor produziert. Im Inneren des Proteins befindet sich eine Metall-Bindestelle für Cer-Ionen. Das Element Cer gehört zu den Lanthanoiden, auch bekannt als seltene Erden. Es ist allerdings gar nicht so selten wie es der Name vermuten lässt, sondern kommt in der Erdkruste etwa so häufig vor wie Kupfer. Laut Prof. Zeymer können „Komplexe des Cers als Photoredox-Katalysatoren dienen und so die Energie des Lichts nutzen, um vielfältige Radikalreaktionen zu ermöglichen“. Diese nicht-natürliche Chemie wurde hier nun erstmals im Kontext eines Enzyms realisiert.
Das Designer-Enzym wurde zunächst für die radikalische Spaltung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen optimiert, soll in Zukunft aber auch für die umgekehrte Reaktion, also die selektive Knüpfung neuer Bindungen, eingesetzt werden. Dafür entwickeln Prof. Zeymer und ihr Team das Enzym kontinuierlich weiter. Sie verwenden dabei sowohl computergestütztes Protein-Design als auch gerichtete Evolution im Labor. Außerdem können auch ganze Bakterienzellen als Photo-Biokatalysatoren verwendet werden, wenn das Enzym auf deren Oberfläche präsentiert wird. Dies ermöglicht eine noch ressourcenschonendere Nutzung in der Praxis.
Die hier erzielten Forschungsergebnisse legen den Grundstein für die Entwicklung einer neuen Klasse Photoenzyme mit breitem Anwendungspotential für die nachhaltigere Herstellung komplexer Moleküle wie beispielsweise pharmazeutischer Wirkstoffe.
Publikation:
Klein AS, Leiss-Maier F, Mühlhofer R et al. A de novo metalloenzyme for cerium photoredox catalysis. J. Amer. Chem. Soc. (2024) DOI: 10.1021/jacs.4c04618
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.4c04618
Funding:
Diese Arbeit wird durch einen ERC Starting Grant („PhotoLanZyme“, 101039592) gefördert. https://www.tum.de/aktuelles/alle-meldungen/pressemitteilungen/details/eu-foerderung-fuer-fuenf-forschungsprojekte
Weitere Links:
Im Rahmen des SFB/Transregio 325 „Kontrolle der chemischen Photokatalyse durch Molekülverbände“ arbeitet Prof. Zeymers Team mit Kollegen von der TUM und der Universität Regensburg an weiteren licht-abhängigen Enzymen für die Biokatalyse.
Prof. Zeymers Labor befindet sich im Center for Functional Protein Assemblies (CPA). https://www.cpa.tum.de/cpa/home/
Die Gruppe ist außerdem mit dem TUM Catalysis Research Center assoziiert. https://www.crc.tum.de/crc/home/
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