ABD Enerji Bakanlığı Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim insanları, basit hidrokarbonları daha yararlı kimyasallara dönüştürmenin ilk ve en zorlu adımı olan karbon-hidrojen bağlarını seçici olarak kesen bir enzimin ilk atomik düzeydeki yapısını üretti.
Nature Structural & Molecular Biology dergisinde yayınlanan bir makalede açıklandığı gibi, detaylı atomik seviyedeki “şema”, enzimi istenilen ürünleri üretecek şekilde tasarlamak için yol gösteriyor.
Araştırmanın ortak liderlerinden, Brookhaven Lab yapısal biyoloğu Qun Liu, “Çeşitli biyokatalizörler havuzu oluşturmak istiyoruz. Böylece, bol miktarda bulunan hidrokarbonlardan benzersiz ürünleri üretmek için istenen substratı özellikle seçebilirsiniz.” dedi. “Bu yaklaşım, ucuz ve bol miktarda bulunan alkanları – ham petrolün %20 ila %50’sini oluşturan basit karbon-hidrojen bileşiklerini – alkol, aldehit, karboksilat ve epoksitler de dahil olmak üzere daha değerli biyoürünlere veya kimyasal öncüllere dönüştürmek için kontrol edilebilir bir yöntem sağlayacak.”
Fikir özellikle ilgi çekicidir çünkü alkandan dönüşüm için kullanılan çoğu endüstriyel katalitik işlem, istenmeyen yan ürünler ve sera gazı etkisi yaratan karbondioksit (CO2) gazı üretmektedir. Ayrıca, bu katalitik işlemler; maliyetli malzemeler içerir ve yüksek sıcaklıklar ve basınçlar gerektirir. AlkB olarak bilinen biyolojik enzim, oldukça özel şartlarda çalışır ve sıradan koşullarda faaliyet gösterir. İşlemin başlaması için ucuz, bol miktarda bulunan demir kullanırken, istenmeyen yan ürünlerin sayısı da azdır.
Brookhaven Lab Biyoloji Bölümü Başkanı ve makalenin kıdemli yazarı John Shanklin “Doğa, ucuz ve bol miktarda bulunan bir metal kullanarak ve oda sıcaklığı ve basıncında bu tür kimyasalları nasıl yapacağını keşfetmiştir.”dedi.
“Sonuç olarak, bu enzime büyük ilgi gösterilmiş ancak yeniden tasarım için gereken mimarisi ve nasıl çalıştığı tamamen anlaşılamamıştır. Yeni amaçlar için yeniden tasarlamak için gereken bu anlayışa, bu yapı ile artık engeli aşmış durumdayız.”
Bozuk Petrolden Tatlı Başarıya
AlkB, 50 yıl önce bir makine atölyesinde keşfedildi. Burada bakteriler soğutma yağı sindirirken, kokusunun bozulmasına neden oluyordu. Biyokimyagerler, mikropların olağandışı iştahını sağlayan faktör olarak bakteriyel enzim AlkB’yi keşfettiler. O zamandan beri bilim insanları, AlkB’nin hidrokarbonları yiyebilme yeteneğini kullanma konusunda ilgili olmuşlardır.
Yıllar içinde yapılan çalışmalar, enzimin bakteriyel membrana kısmen gömülü olduğunu ve iki diğer proteini ile birlikte çalıştığını ortaya koydu. Shanklin, Liu ve başka bilim insanları, enzimin yapısını X-ışını kristalografisi kullanarak çözmeye çalıştılar.
Bu yöntem, yüksek yoğunluklu X ışınlarını bir proteinin kristalleştirilmiş versiyonundan yansıtarak atomların nerede olduğunu belirler. Ancak AlkB gibi membran proteini, özellikle çoklu protein kompleksinin bir parçası olduğunda kristalleştirmesi zor olan bileşenlerdir.
Liu, “Yeterince yüksek çözünürlüğü elde edemedik.” dedi.
Ardından, 2021’in başlarında Brookhaven, yeni bir soğutmalı elektron mikroskobu (cryo-EM) tesisine sahip oldu: Biyomoleküler Yapı Laboratuvarı (LBMS). Bilim insanları, kristalleştirilmiş bir örnek gerektirmeyen cryo-EM kullandılar ve birçok farklı açıdan birkaç milyon ayrı donmuş protein molekülünün resimlerini çektiler.
Bilgisayar tabanlı araçlar daha sonra resimleri sıraladı, ortak özellikleri tanımladı ve ortalamalarını aldı. Sonuçta, enzim kompleksinin yüksek çözünürlüklü üç boyutlu bir haritası oluşturuldu. Bu harita kullanılarak, bilim insanları protein kompleksini oluşturan bireysel aminoasitlerin bilinen atomik düzeydeki yapılarını üç boyutta ayrıntıları doldurmak için birleştirdiler.
Enzimin transmembran bölgesini stabilize etmek ve yapısal ayrıntıları korumak için uygun koşulları belirlemek, deneme yanılma yöntemlerini gerektiren bir zorluktu. Shanklin, laboratuvarındaki araştırmacılardan Jin Chai’yi “bu bulmacayı çözmek için gösterdiği özveri ve kararlılık” için takdir etti.
Yapı, Enzimin Nasıl Çalıştığını Ortaya Koyuyor
Detaylı yapı, AlkB enzimi ve iki ilgili proteinden biri olan AlkG’nin nasıl birlikte çalışarak karbon-hidrojen bağlarını kestiğini tam olarak gösterir. Aslında, çözülmüş yapı beklenmedik bir bonus içeriyordu: Enzimin aktif bölgesinde hapsolmuş bir substrat alkan molekülü.
Liu “Yapı, bu enzimin oluşturduğu bir boşluğun amino asitlerinin, hidrokarbon substratını yönlendirdiğini gösteriyor. Böylece sadece belirli bir karbon-hidrojen bağı aktif bölgeye yaklaşabilir,” dedi.
“Ayrıca, elektronların taşıyıcı proteinden (AlkG) enzimin aktif bölgesindeki iki demir merkezine nasıl hareket ettiğini gösteriyor ve böylece bir oksijen molekülünü etkinleştirerek bu bağa saldırmasına izin veriyor.”
Shanklin, enzimi bir dairesel kesim makinesi gibi bir bağ kesme makinesi olarak düşünmeyi öneriyor: “Aktif oksijeni hidrokarbonla nasıl etkileşime gireceğini belirleyen alkani enzimin di-demiri ile nasıl tuttuğunuza bağlıdır. Alkanın ucunu aktive edilmiş oksijene yönlendirirseniz, oksijenin son karbon üzerinde kimyasal işlemler başlatması gerekecektir.”
“Yapmak istediğimiz mühendislik, aktif sit kavitesinin şeklini değiştirmek, böylece substrat (veya farklı bir substrat), farklı açılardan ve farklı C-H bağ konumlarında aktive edilmiş oksijene farklı reaksiyonlar gerçekleştirmek için yaklaşabilir.”
Bilim insanları, doğada bu yapıda bulunmayan bir üçüncü proteinin (AlkT) elektronları AlkG taşıyıcı proteinine sağladığını belirttiler. Taşıyıcı protein daha sonra, elektronları AlkB’nin aktif bölgesinde oksijeni etkinleştiren iki demir atomuna taşır. Biyolojik elektron donörü kullanmaktan daha basit ve daha az maliyetli olacak şekilde, elektron sağlamak için bir elektrotla bu elektron donörü proteinini değiştirmek önerildi.
DOE (ABD Enerji Bakanlığı), ekibin “C-H Bağı Fonksiyonelleştirme için Dönüştürücü Biyobirleşik Didemir Katalizörleri” geliştirmek için yaptığı öneriye bu ön yapısal çalışmaların da katkısıyla finansman sağladı.
Liu “Bu yapı ve AlkG/AlkB kompleksinin nasıl çalıştığına dair bilgimiz, çeşitli substratlarda hangi karbon-hidrojen bağının etkinleştirildiğini seçmek ve seçiciliğini yeniden tasarlamak, bu enzimi biyomühendis yapmak için harika bir konumda olduğumuzu gösteriyor.” dedi. [1]Structure of ‘oil-eating’ enzyme opens door to bioengineered catalysts[2]Öne çıkan görsel
[cite]
Kaynaklar ve İleri Okuma
| ↑1 | Structure of ‘oil-eating’ enzyme opens door to bioengineered catalysts |
|---|---|
| ↑2 | Öne çıkan görsel |
