Chemicy z USA modelowali i wyrażali w bakteriach białka wiążące się z kompleksami żelazo-porfiryny i użyli ich do katalitycznego cyklopropanowania podwójnych wiązań i wprowadzania diazowych wiązań krzem-węgiel. W obu przypadkach, jak piszą chemicy w Science, modelowane katalizatory de novo były skuteczne bez użycia ukierunkowanej ewolucji.
Reakcje cyklopropanacji i wprowadzania do wiązania pierwiastek-wodór można przeprowadzić za pomocą katalizatorów metaloorganicznych. Zazwyczaj w takim katalizatorze metal jest związany z chiralnym ligandem, dzięki czemu produkt reakcji powstaje w postaci jednego izomeru optycznego. Przy takim podejściu wybór odpowiedniego ligandu może być trudny, a chemicy muszą przejrzeć wiele różnych katalizatorów w poszukiwaniu najskuteczniejszego.
Innym podejściem do asymetrycznej katalizy jest wiązanie katalizatorów metaloorganicznych z białkami. W tym przypadku za selektywność odpowiada struktura białka zamiast ligandów chiralnych. Jeśli struktura centrum aktywnego zostanie dobrana prawidłowo, reszty aminokwasowe „skierują” reakcję w centrum aktywnym tak, że otrzyma się tylko jeden izomer optyczny produktu. Jednocześnie, jeśli taki katalizator białkowy nie działa wystarczająco dobrze, jego strukturę można zoptymalizować za pomocą ukierunkowanej ewolucji. O tym, jak to działa, mówiliśmy w tekście „Playing God”.
Drugie podejście zostało niedawno zastosowane przez chemików pod kierownictwem Williama F. DeGrado z University of California w San Francisco. Ich pomysł polegał na modelowaniu katalizatorów białkowych dla reakcji cyklopropanacji alkenów i wprowadzania ich do wiązania krzem-wodór.
Najpierw chemicy wzięli znane już białko katalitycznie aktywne z kofaktorem difenyloporfiryny (tworzy kompleks z jonem żelaza) i przetestowali je w reakcji cyklopropanacji styrenu z diazooctanem etylu. Produkt otrzymano z wydajnością i nadmiarem enancjomerycznym 40 procent. Następnie naukowcy założyli, że struktura białka nie pozwala odczynnikom na łatwą penetrację do centrum aktywnego, a z tego powodu wydajność jest niska.
Aby wymodelować bardziej efektywne katalizatory na bazie tego białka, naukowcy wykorzystali kilka algorytmów uczenia maszynowego, w tym jeden opracowany wcześniej w ich laboratorium. W efekcie otrzymali zbiór kilkudziesięciu struktur białkowych, z których wybrano dziesięć o najbardziej zdefiniowanej strukturze centrum aktywnego i poddano je ekspresji w bakteriach. Większość uzyskanych białek okazała się skutecznymi katalizatorami cyklopropanacji styrenu. Najlepszym uzyskanym wynikiem jest ilościowa wydajność produktu i nadmiar enancjomeryczny wynoszący około 99 procent.
Ponadto chemicy w ten sam sposób modelowali struktury białek do katalizy reakcji wprowadzania diazowego wiązania krzem-wodór. Ale tym razem zamiast kofaktora difenyloporfiryny wybrali protoporfirynę IX, która jest prekursorem hemu w komórkach. Wybrane białka zostały ponownie wyrażone przez chemików w bakteriach i okazały się skutecznymi katalizatorami. Ponadto naukowcom udało się jeszcze bardziej zwiększyć enancjoselektywność wprowadzania za pomocą ukierunkowanej ewolucji otrzymanych katalizatorów w żywych komórkach. Udało się to dzięki temu, że naukowcy wybrali komórkowy metabolit protoporfirynę IX jako kofaktor.
W ten sposób chemikom udało się uzyskać zestaw katalizatorów białkowych dla dwóch reakcji. Jednak pomimo wysokiej wydajności uzyskanych katalizatorów, niewielkie zmiany w strukturze materiałów wyjściowych często prowadziły do spadku wydajności i enancjoselektywności.
Wcześniej omawialiśmy, w jaki sposób chemicy wykorzystali lipazę drożdżową w połączeniu z katalizatorem rutenowym do enancjoselektywnej syntezy makrocykli.
