Chemicy z USA zmodelowali i wyeksprymowali białka wiążące się z kompleksami żelazowo-porfirynowymi w bakteriach i wykorzystali je do katalitycznej cyklopropanacji wiązań podwójnych i wprowadzenia wiązań diazowych krzem-węgiel. W obu przypadkach, jak piszą chemicy w „Science”, modelowane katalizatory de novo były skuteczne bez użycia ewolucji kierowanej.
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. W takim podejściu wybór odpowiedniego ligandu może być trudny, a chemicy muszą testować wiele różnych katalizatorów w poszukiwaniu najskuteczniejszego.
Innym podejściem do katalizy asymetrycznej jest wiązanie katalizatorów metaloorganicznych z białkami. W tym przypadku, zamiast chiralnych ligandów, za selektywność odpowiada struktura białka. Jeśli struktura centrum aktywnego zostanie dobrana prawidłowo, reszty aminokwasowe będą „kierować” reakcją w centrum aktywnym, tak aby uzyskać 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 „Zabawa w Boga”.
Drugie podejście zostało niedawno zastosowane przez chemików pod kierownictwem Williama F. DeGrado z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco. Ich pomysł polegał na modelowaniu katalizatorów białkowych dla reakcji cyklopropanacji alkenów i ich wprowadzania do wiązania krzem-wodór.
Najpierw chemicy wzięli znane już białko katalitycznie aktywne z kofaktorem difenyloporfiryną (tworzy kompleks z jonem żelaza) i przetestowali je w reakcji cyklopropanacji styrenu z diazooctanem etylu. Produkt uzyskano z wydajnością i nadmiarem enancjomerycznym 40%. Następnie naukowcy założyli, że struktura białka uniemożliwia reagentom łatwą penetrację do centrum aktywnego, przez co wydajność jest niska.
Aby zamodelować bardziej efektywne katalizatory oparte na tym białku, naukowcy wykorzystali kilka algorytmów uczenia maszynowego, w tym jeden opracowany wcześniej w ich laboratorium. W rezultacie uzyskali zbiór kilkudziesięciu struktur białkowych, z których wybrali dziesięć o najbardziej zdefiniowanej strukturze centrum aktywnego i poddali je ekspresji w bakteriach. Większość otrzymanych białek okazała się skutecznymi katalizatorami cyklopropanacji styrenu. Najlepszym uzyskanym rezultatem jest ilościowa wydajność produktu i nadmiar enancjomeryczny na poziomie około 99%.
Co więcej, chemicy w ten sam sposób zmodelowali struktury białek do katalizy reakcji wprowadzania wiązań diazowych krzem-wodór. Tym razem jednak 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 dodatkowo zwiększyć enancjoselektywność wprowadzania dzięki ukierunkowanej ewolucji otrzymanych katalizatorów w żywych komórkach. Udało się to dzięki temu, że naukowcy wybrali jako kofaktor metabolit komórkowy protoporfirynę IX.
W ten sposób chemikom udało się uzyskać zestaw katalizatorów białkowych dla dwóch reakcji. Jednak pomimo wysokiej wydajności otrzymanych 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.
