植物酶的新功能可能導(dǎo)致綠色化學(xué)
美國能源部布魯克海文國家實驗室的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種植物酶的新功能,該功能可能對新型化學(xué)催化劑的設(shè)計產(chǎn)生影響。該酶催化或引發(fā)合成多種有機(jī)分子所需的基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng)之一,這些有機(jī)分子包括在潤滑劑,化妝品中發(fā)現(xiàn)的有機(jī)分子以及用作制造塑料原料的有機(jī)分子。
負(fù)責(zé)這項研究的布魯克海文實驗室生物化學(xué)家約翰·尚克林說:“這種酶可以激發(fā)一種新的'綠色'化學(xué)反應(yīng)。” “也許我們可以使這種生物分子適應(yīng)于在植物中制造有用的化學(xué)物質(zhì),或者將其用作設(shè)計新的以生物為靈感的催化劑的基礎(chǔ),以取代目前使用的更昂貴,有毒的催化劑。”
尚克林和他的團(tuán)隊在“ 植物生理學(xué) ”雜志上發(fā)表了描述該研究的論文。
該團(tuán)隊在對植物油脫飽和酶的持續(xù)研究過程中發(fā)現(xiàn)了這一發(fā)現(xiàn)。這些去飽和酶將氫原子從烴鏈中特定的相鄰碳原子上剝離,并在這些碳原子之間插入雙鍵。尚克林的研究小組此前曾創(chuàng)造出一種具有有趣特性的去飽和酶的三重突變體版本,他們正在分別研究這三個突變體以了解每個突變體的功能。
原來,有兩種單突變酶去除了相鄰碳原子之間的雙鍵,并向每個碳原子添加了“ OH”(羥基),從而產(chǎn)生了帶有兩個相鄰羥基的脂肪酸。
包含這種相鄰OH基團(tuán)的脂肪酸(稱為二醇)是制造潤滑劑的重要化學(xué)成分,例如保持熱引擎平穩(wěn)運行的潤滑劑。它們也可以轉(zhuǎn)換成用于制造塑料或其他日用品的構(gòu)件。
尚克林說:“二元醇確實是重要的工業(yè)化學(xué)品,但是在實驗室中人工制造它們是有問題的。”
他指出,用于該反應(yīng)的最佳工業(yè)催化劑是昂貴,高揮發(fā)性和有毒的。
另一個問題是二醇的形式不同,化學(xué)家很難制成單一的純凈形式。
尚克林說:“我們發(fā)現(xiàn)的酶突變體自然形成單一形式,因此無需進(jìn)一步處理或浪費就可以使用。”
追蹤兩個OH基團(tuán)中氧原子的起源表明它們都來自相同的氧分子(O 2)。從單個O?轉(zhuǎn)移兩個氧原子的能力 在反應(yīng)過程中,被稱為“雙加氧酶”的分子對于“雙鐵”酶(一個在其活性位點具有兩個鐵原子的酶)來說是令人驚訝的。
尚克林說:“以前沒有報道過二氧化鐵酶的雙加氧酶化學(xué)。” “我們必須進(jìn)行一些技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性的實驗,以提供無可辯駁的證據(jù)證明這確實在發(fā)生,而且如果沒有Ed Whittle的創(chuàng)造力和堅韌,我們將無法完成這項研究。”
該論文的主要作者惠特爾(現(xiàn)已從布魯克海文實驗室退休)已經(jīng)在尚克林的實驗室中為這一項目勤奮地研究了幾年,以查明這一重要的新發(fā)現(xiàn)。
該小組的下一個目標(biāo)是在國家同步加速器光源II(NSLS-II)上使用X射線獲得該酶的晶體結(jié)構(gòu),該信號是美國能源部科學(xué)辦公室布魯克海文實驗室的用戶設(shè)施。
“我們將與我們的計算化學(xué)同事共享該結(jié)構(gòu)信息,以弄清楚這種催化劑如何發(fā)生這種前所未有的化學(xué)反應(yīng)的細(xì)節(jié)。”
這項工作可以幫助團(tuán)隊學(xué)習(xí)如何控制實驗室制造的催化劑的配置,以模仿植物衍生的催化劑。
尚克林說:“如果我們能夠?qū)⑽覀儗W(xué)到的知識整合到工業(yè)催化劑的設(shè)計中,這些反應(yīng)可以生產(chǎn)出純度更高,浪費更少的產(chǎn)品,并避免使用有毒化學(xué)物質(zhì)。”
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