Un nuovo processo rende più semplice la produzione di amminoacidi che non esistono in natura

Ogni proteina nel tuo corpo è composta dagli stessi 20 elementi costitutivi chiamati aminoacidi. Ma solo perché la natura è costretta a disporre di strumenti limitati non significa che gli esseri umani non possano espanderli.

Pubblicato uno studioin Science da un team comprendente i chimici Pitt descrive un nuovo potente modo per creare amminoacidi “innaturali”, che potrebbero trovare impiego nelle terapie basate sulle proteine ​​e aprire nuove branche della chimica organica.

“Si tratta di una trasformazione completamente nuova: nuova per la natura e nuova per la chimica”, ha affermato Peng Liu, professore di chimica alla Kenneth P. Dietrich School of Arts and Sciences e autore corrispondente dell’articolo. "Dire a un enzima di creare una configurazione innaturale di un amminoacido è insolito, e bisogna farlo con un'attenta bioingegneria."

Cambiando solo un pezzo di una proteina più grande, è possibile modificare la sua forma e le sue funzioni: gli amminoacidi innaturali sono quindi promettenti per aprire la strada a nuovi tipi di terapie, come gli antibiotici o gli immunosoppressori, che utilizzano le proteine ​​o i loro cugini più piccoli.

La creazione di tali molecole in laboratorio, tuttavia, è un processo oneroso e articolato in più fasi: i pezzi dell’amminoacido che si collegano tra loro per formare una catena proteica devono essere protetti mentre i ricercatori trasformano chimicamente il resto della molecola. La reazione descritta nel nuovo articolo, tuttavia, è più semplice ed efficiente e offre ai chimici un livello di controllo senza precedenti su come i gruppi di atomi sono orientati nella molecola risultante.

Utilizza anche uno strumento chimico, un enzima PLP, in un modo insolito. Gli enzimi sono proteine ​​che catalizzano le reazioni: in genere, anche quando le loro funzioni vengono alterate dalla bioingegneria, tutto ciò che possono fare è accelerare i processi chimici conosciuti che i chimici potrebbero ottenere in altri modi, anche se più lenti. Ma abbinato a un catalizzatore molecolare sensibile alla luce, l’enzima in questa nuova reazione può ottenere molto di più.

"Si può sostenere che gli enzimi bioingegnerizzati forniscono una migliore efficienza rispetto ai catalizzatori di piccole molecole, ma catalizzano la stessa reazione", ha detto Liu. “Ma questa è una reazione completamente nuova. Semplicemente prima non esisteva”.

Il gruppo di Liu utilizza simulazioni al computer per capire l'intricata danza che avviene in una reazione chimica a livello di atomi ed elettroni, aggiungendo il “perché” al “cosa” scoperto dai gruppi che conducono esperimenti. Per questo articolo, Binh Khanh Mai, ricercatore post-dottorato di Liu e Pitt, ha lavorato con un team di ricercatori dell'UC Santa Barbara guidati da Yang Yang, una collaborazione che va forte dal 2014, quando Yang ha trascorso un'estate nel laboratorio di Liu come studente laureato in visita .

Liu e Mai si sono immersi nei dati forniti dal gruppo di Yang per capire come e perché è avvenuta la reazione, sconcertando i passaggi intermedi invisibili ai chimici. In un passaggio i due hanno osservato con particolare attenzione che un elettrone deve percorrere una distanza insolitamente lunga nel suo percorso tra due molecole. "Abbiamo dovuto fare alcuni modelli attenti sulla probabilità che ciò accada perché questo è il passaggio nuovo per la natura e supporta l'intero meccanismo di reazione", ha detto Liu.

Alla base di questi modelli c’è un’enorme potenza di calcolo. Liu cita il Center for Research Computing di Pitt come un ingrediente essenziale per il successo del laboratorio, poiché le complesse simulazioni che il gruppo esegue per comprendere le complessità delle reazioni chimiche richiedono tempo con supercomputer potenti e all'avanguardia.

Ciononostante, ci sono ancora domande senza risposta e questo documento è solo il primo passo di una serie di collaborazioni tra i due team. Se riuscissero a comprendere meglio il motivo per cui si verifica questa reazione insolita, il gruppo di Liu potrebbe avere la possibilità di sfruttarla in diversi contesti per creare un'ampia varietà di nuovi strumenti chimici, medicinali e altro ancora.

"Puoi pensare a quanti diversi tipi di amminoacidi innaturali potresti produrre: ce ne sono un numero quasi illimitato", ha detto Liu. “Quindi possiamo usare questa intuizione per sviluppare anche altre nuove reazioni?”