Chemicy z USA stworzyli i wyeksponowali w bakteriach białka wiążące się z kompleksami żelazowo-porfirynowymi i wykorzystali je do katalitycznej cyklopropanacji wiązań podwójnych i wprowadzenia wiązań dwuazowych krzem-węgiel. W obu przypadkach, jak piszą chemicy w czasopiśmie Science, modelowane de novo katalizatory były skuteczne bez stosowania ukierunkowanej ewolucji.
Reakcje cyklopropanacji i wprowadzenia do wiązania pierwiastek-wodór można przeprowadzić za pomocą katalizatorów metaloorganicznych. Zwykle w takim katalizatorze metal związany jest z chiralnym ligandem, w wyniku czego produkt reakcji tworzy się w postaci jednego izomeru optycznego. Przy takim podejściu wybór odpowiedniego ligandu może okazać się trudny, a chemicy muszą wypróbować wiele różnych katalizatorów w poszukiwaniu najskuteczniejszego.
Innym podejściem do katalizy asymetrycznej jest wiązanie katalizatorów metaloorganicznych z białkami. W tym przypadku za selektywność odpowiada nie chiralne ligandy, ale struktura białka. Jeżeli struktura centrum aktywnego zostanie wybrana prawidłowo, reszty aminokwasowe będą „kierować” reakcją w centrum aktywnym w taki sposób, że uzyskany zostanie tylko jeden izomer optyczny produktu. Jednocześnie, jeśli taki katalizator białkowy nie działa wystarczająco skutecznie, jego strukturę można zoptymalizować za pomocą ukierunkowanej ewolucji. O tym, jak to działa, rozmawialiśmy 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 wprowadzania ich do wiązania krzem-wodór.
Najpierw chemicy wzięli znane już białko o aktywności katalitycznej z kofaktorem difenyloporfiryną (tworzy kompleks z jonem żelaza) i przetestowali je w reakcji cyklopropanacji styrenu z diazooctanem etylu. Produkt otrzymano z wydajnością i nadmiarem enancjomerycznym wynoszącym 40 procent. Następnie naukowcy założyli, że struktura białka nie pozwala odczynnikom na łatwe przenikanie do centrum aktywnego, dlatego wydajność jest niska.
Aby stworzyć skuteczniejszy model katalizatorów bazujących na tym białku, naukowcy zastosowali kilka algorytmów uczenia maszynowego, w tym jeden opracowany wcześniej w ich laboratorium. W efekcie otrzymano zestaw kilkudziesięciu struktur białkowych, spośród których wybrano dziesięć o najbardziej zdefiniowanej strukturze centrum aktywnego i poddano je ekspresji w bakteriach. Większość uzyskanych białek okazała się skutecznymi katalizatorami reakcji 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 wiązania diazowego krzemu i wodoru. 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 uzyskanych 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 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.