Пиридоксаль-фотоферменты: прорыв в асимметричном радикальном синтезе

Исследователи из Принстонского университета и других научных центров создали новый класс фотоферментов, использующих пиридоксаль — производное витамина B6 — для проведения асимметричных радикальных кросс-сочетаний. Работа, опубликованная в журнале Nature, описывает гибридные катализаторы, которые сочетают белковую часть с пиридоксаль-фосфатом и способны поглощать свет, инициируя радикальные реакции с высокой стереоселективностью. Этот подход открывает путь к экологичному синтезу сложных хиральных молекул, востребованных в фармацевтике и тонком органическом синтезе.

Новые фотоферменты на основе пиридоксаля

Пиридоксаль-фосфат (PLP) — хорошо известный кофактор многих природных ферментов, участвующих в метаболизме аминокислот. Однако его фотокаталитические свойства ранее не использовались для асимметричного синтеза. В новой работе команда под руководством профессора Дэвида Макмиллана и других авторов модифицировала PLP-зависимые ферменты, внедрив в них мутации, позволяющие поглощать видимый свет. При облучении синими светодиодами эти ферменты генерируют радикалы, которые затем вступают в кросс-сочетание с высокой энантиоселективностью. Выходы продуктов достигают 90%, а энантиомерный избыток — более 95%.

Почему пиридоксаль эффективнее других кофакторов?

Предыдущие попытки создать фотоферменты опирались на флавины или никотинамиды, но пиридоксаль оказался более универсальным благодаря своей способности образовывать стабильные радикальные интермедиаты. В отличие от флавинов, которые часто дают побочные продукты, PLP обеспечивает узкое распределение продуктов и высокую стереоселективность. Кроме того, пиридоксаль-фосфат является природным и недорогим соединением, что делает процесс более экономичным и экологичным.

Предыстория и контекст

Асимметричное радикальное кросс-сочетание — одна из сложнейших задач органического синтеза. Традиционные методы требуют дорогих металлических катализаторов и жестких условий. В 2021 году Нобелевская премия по химии была присуждена за развитие асимметричного органокатализа, но радикальные процессы оставались труднодоступными. Использование ферментов позволяет работать в мягких условиях (вода, комнатная температура) и достигать высокой стереоселективности. Новая работа вписывается в тренд зеленой химии, сочетая биокатализ и фотохимию.

Как это работает?

Фермент связывает пиридоксаль-фосфат и субстрат (например, альдегид или кетон). При облучении светом PLP переходит в возбужденное состояние и отрывает атом водорода от субстрата, образуя радикал. Затем радикал взаимодействует с другим радикальным партнером (например, производным амина), формируя новую углерод-углеродную связь. Белковое окружение обеспечивает стереоселективность, направляя подход радикалов. Ключевой момент — мутации в активном центре фермента, которые увеличивают гидрофобность и стабилизируют радикальный интермедиат, предотвращая нежелательные побочные реакции.

Технические подробности и характеристики

Исследователи протестировали несколько мутантов фермента аспартатаминотрансферазы (AspAT) из E. coli. Оптимальный вариант содержал мутации, увеличивающие гидрофобность активного центра и стабилизирующие радикальный интермедиат. Реакции проводили при 25°C в водном буфере с добавлением 5% диметилсульфоксида для растворимости субстратов. Источник света — синие светодиоды с длиной волны 450 нм. Квантовый выход составил 0.15, что сравнимо с природными фотоферментами. Каталитическое число достигало 100 оборотов в час. Важно отметить, что фермент можно использовать повторно без значительной потери активности.

Кого затронет и как

Разработка в первую очередь важна для фармацевтической индустрии, где хиральные соединения составляют основу многих лекарств. Например, синтез противовирусных препаратов или антибиотиков часто требует дорогих многостадийных процессов. Новый метод может упростить получение сложных молекул, снизить затраты и уменьшить количество отходов. Для химиков-синтетиков это означает появление нового инструмента, работающего при комнатной температуре в воде, что упрощает масштабирование и снижает энергозатраты. В перспективе технология может быть адаптирована для непрерывного синтеза в промышленных масштабах.

Что будет дальше

Авторы планируют расширить субстратный спектр, включив гетероциклические соединения и природные продукты. Также ведется работа над иммобилизацией ферментов на твердых носителях для повторного использования. Ожидается, что в течение 2–3 лет метод будет адаптирован для синтеза конкретных фармацевтических субстанций. Возможно появление стартапов, коммерциализирующих технологию. Кроме того, исследователи изучают возможность использования других кофакторов для расширения применимости метода.

Итог

Создание пиридоксаль-фотоферментов — значительный шаг в области асимметричного синтеза. Оно сочетает экологичность биокатализа с мощью фотохимии, открывая новые горизонты для зеленой химии. Следите за развитием этой технологии: она может изменить способы производства сложных хиральных молекул. Если вы работаете в фармацевтике или органическом синтезе, стоит обратить внимание на этот подход — возможно, он станет ключом к более эффективным и устойчивым процессам.