Od benzyny do hiacynta

Od benzyny do hiacynta – enzym zmienia zapachy

Maciej Szaleniec

Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni im. Jerzego Habera Polskiej Akademii Nauk, ul. Niezapominajek 8, 30-239 Kraków

Od blisko dwóch stuleci uczeni i technologowie poszukują coraz lepszych i tańszych metod syntezy, doskonaląc katalizatory – związki, przyspieszające i zwiększające wydajność procesów chemicznych. Tymczasem przez miliony lat w organizmach żywych na drodze ewolucji Natura wytworzyła niesłychanie wyspecjalizowane katalizatory – enzymy.

Synteza chemiczna to największa dziedzina przemysłu w Europie. Według Naukowo-Technologicznej Mapy Drogowej Katalizy przygotowanej przez European Resaerch Institute of Catalysis więcej niż 85% produktów powstaje przy udziale katalizy. Dzięki katalizie powstaje lepsze i tańsze paliwo, liczne tworzywa sztuczne, środki czystości i leki. Katalizatory stosowane są w ochronie środowiska, np. dopalając spaliny w każdym samochodzie czy usuwając zanieczyszczenia z wody. Zastosowanie katalizy wychodzi również poza przemysł chemiczny znajdując swoje zastosowane w energetyce, np. w ogniwach paliwowych, bateriach czy przy produkcji bio-paliw.

Katalizator – jak to działa?

Jak katalizator obniża koszty produkcji przemysłowej? Po pierwsze – przyspiesza reakcję chemiczną. Produkując dany związek, chcemy, aby powstawał w dużych ilościach i możliwie szybko. Dla przyspieszenia reakcji proces najczęściej prowadzi się w podwyższonej temperaturze. Gdy podwyższamy temperaturę chemiczne cząsteczki szybciej się poruszają, mają więcej energii, gdy dochodzi do ich zderzeń, co ułatwia przemiany chemiczne.  Zamiast podgrzewać reaktor, co wymaga energii i oczywiście generuje sporo CO₂, można zastosować katalizator, który pozwala zachodzić reakcji z dużą szybkością w niższej temperaturze. Po drugie – dzięki katalizatorowi pewna „ścieżka reakcji” staje się bardziej uprzywilejowana. Dzięki temu powstaje tylko jeden, żądany związek, co pozwala uniknąć wytwarzania odpadów chemicznych. Chemicy nazywają to zjawisko selektywnością procesu katalitycznego – to tak jakby katalizator dokonywał selekcji tylko jednej z możliwych dróg przemian chemicznych i tylko tę właśnie przyspieszał. Pozostałe drogi są wolniejsze i dlatego cząsteczki w bardzo niewielkim stopniu nimi podążają. W efekcie proces katalizowany jest znacznie tańszy, a dzięki oszczędności energii i minimalizacji produkcji odpadów, również bardziej ekologiczny.

Idealny katalizator powinien pracować w temperaturze otoczenia, w nietoksycznym środowisku i prowadzić do powstania tylko jednego, żądanego produktu. Niestety taki katalizator bardzo trudno otrzymać metodami chemicznymi. Na szczęście Natura wykonała sporą część pracy za nas – dzięki miliardom lat ewolucji wyposażyła organizmy żywe w enzymy, które spełniają wszystkie te warunki i katalizują miliony reakcji chemicznych.

Biokatalizatory to niezwykle skomplikowane cząsteczki biologicznych polimerów. Większość z nich to białkowe enzymy (składające się z połączonych aminokwasów), chociaż znane są też biokatalizatory, w których główną komponentą są kwasy nukleinowe (tzw. rybozymy). Nić biopolimeru, układając się w skomplikowany wzór, tworzy stabilny szkielet, otaczający centrum aktywne, w którym zachodzi reakcja katalityczna. Enzym jest bardzo wydajnym i wybiórczym katalizatorem – pracuje zazwyczaj w temperaturze pokojowej, w środowisku wodnym i prowadzi syntezę zwykle tylko do jednego produktu. Niestety wciąż nie potrafimy sami wymyślić jak zsyntetyzować enzymy z poszczególnych aminokwasów, aby uzyskać efektywne katalizatory. Chociaż na tym polu czynimy wciąż postępy, wciąż nie jesteśmy wstanie doścignąć Natury. Również, jeśli chodzi o pozyskiwanie białek bazujemy na ich naturalnych źródłach. Z przyczyn etycznych staramy się unikać izolacji enzymów z wyższych zwierząt. Dlatego najbardziej efektywnym sposobem pozyskiwania enzymów jest obecnie wykorzystanie mikroorganizmów. W tym celu wykorzystuje się organizmy naturalne (to znaczy niezmodyfikowane genetycznie, choćby takie jak drożdże piekarskie) jak i genetycznie zmodyfikowane. Aby zaprząc bakterie do produkcji potrzebnego enzymu wszczepia się jej kod DNA z instrukcją syntezy danego enzymu, a następnie, po namnożeniu kolonii bakteryjnej, wzbudza się biosyntezę. W rezultacie bakterie produkują gotowy enzym, który następnie można oczyścić i używać do prowadzenia wybranej reakcji albo nawet zastosować w procesie całe bakterie (jak małe kapsułki wypełnione katalizatorem). To właśnie takie rekombinowane enzymy znajdziemy nie tylko w przemysłowych reaktorach, ale w naszych płynach do prania (gdzie proteazy i lipazy usuwają plamy z białka i tłuszczy) czy kuchniach (do produkcji domowych serów czy zmiękczania mięsiwa).

Z dna Wezery do laboratorium

W Instytucie Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN od wielu lat badamy m.in. dość nietypowy enzym – dehydrogenazę etylobenzenową. Pochodzi on z bakterii Aromatoleum aromaticum, odkrytej w osadach dennych Wezery, niedaleko Bremy w Niemczech. Bakterie te żyje w środowisku beztlenowym, wykorzystując jako pożywkę substancje, będące truciznami dla większości organizmów żywych, toluen, etylobenzen czy propylobenzen, i oddychają rozpuszczonymi w wodzie azotanami zamiast tlenem. Dehydrogenaza etylobenzenowa katalizuje reakcję utlenienia etylobenzenu do (S)-1-fenyloetanolu. Na czym polega niezwykłość katalizowanej przez nią reakcji? Po pierwsze, – co dość oczywiste w warunkach beztlenowych enzym nie może korzystać w reakcji utlenienia z cząsteczki tlenu, jak to ma miejsce w większości organizmów zdolnych do utleniania węglowodorów. Zamiast tego wykorzystuje znajdujący się w centrum aktywnym specjalny kofaktor molibdenowy, który pozyskuje tlen z wody. Po oddzieleniu dwóch protonów od wody ligand tlenowy metalu (tak zwany ligand okso) nadaje się do utleniania organicznego substrat. Drugą, bardzo cenną z przemysłowego punktu widzenia cechą jest fakt, że produktem reakcji jest tylko jeden izomer optyczny o konfiguracji S.

Związki, będące izomerami optycznymi, mają identyczne właściwości fizykochemiczne poza tym, że zmieniają polaryzację przechodzącego przez nie światła w odwrotnych kierunkach. Drobna różnica? Otóż nie – gdy chodzi o działanie biologiczne, izomeria optyczna jest szalenie istotna. Wszystkie aminokwasy budujące organizmy żywe są zbudowane z jednego tylko typu izomerów optycznych (tzw. enancjomerów) i większość ziemskich organizmów nie jest w stanie wykorzystywać do biosyntezy aminokwasów o innej konfiguracji. Również nasze zmysły powonienia i smaku doskonale radzą sobie z rozróżnianiem enancjomerów. Wykorzystywany w przemyśle spożywczym, jako środek zapachowy (S)-1-fenyloetanol pachnie delikatnie hiacyntem z wyczuwalną nutką gardenii i truskawek, podczas gdy jego lustrzane odbicie, (R)-1-fenyloetanol, wydziela zapach miodowo-kwiatowy, zaś w smaku przypomina niedojrzałe owoce.

Różne izomery optyczne mogą oddziaływać odmiennie nie tylko na zmysł powonienia, ale też na nasze zdrowie. Często jeden izomer optyczny ma działanie terapeutyczne, a drugi może wywoływać niepożądane skutki uboczne. Stąd wielkie zainteresowanie przemysłu farmaceutycznego związkami o wysokiej optycznej czystości, które mogą być wykorzystane do syntezy nowych leków.

Odkryliśmy, że dehydrogenaza etylobenzenowa jest bardzo wszechstronnym enzymem. Potrafi bowiem kata­lizować reakcję utlenienia wielu związków o podobnej do etylobenzenu strukturze. W każdym przypadku powstaje alkohol – w analogiczny sposób jak przy syntezie 1-fenyloetanolu.

Dzięki temu odkryciu uzyskaliśmy od natury narzędzie, zdolne do wytwarzania ponad 30 nowych alkoholi [1], które mogą posłużyć nie tylko jako zapachy do perfum i kremów, ale przede wszystkim jako cegiełki do budowy nowych leków. Sprawdziliśmy bowiem stosując specjalną chromatografię chiralną (czyli taką, która rozpoznaje enancjomery), że podobnie jak w przypadku utleniania etylobenzenu, tak i dla pozostałych substratów enzym wykazuje wysoką selektywność reakcji – to znaczy powstaje tylko jeden izomer optyczny alkoholu.

W jaki sposób dehydrogenaza etylobenzenowa prowadzi tę niezwykłą reakcję? Aby rozwikłać tę intrygującą za­gadkę, zastosowaliśmy modelowanie molekularne. Dzięki złożonym obliczeniom, które wymagały zastosowania superkomputerów z Akademickiego Centrum Komputerowego CYFRONET, udało się odkryć, że okso ligand odrywa atom wodoru od węglowodoru (Rys. 1) a następnie od centrum molibdenowego oddziela się grupa OH i przyłącza się do substratu, tworząc alkohol. Enzym zaś ma specjalnie wykrojone centrum aktywne w kształt, który pozwala substratowi ustawić się tylko w jeden sposób w kierunku molibdenowego centrum [2]. To właśnie dzięki temu enzym jest wysoce selektywny, gdyż utlenianie zachodzi tylko z jeden strony cząsteczki. Taka wiedza okazała się zresztą znacznie cenniejsza niż sama umiejętność przemiany odoru stacji benzynowej w delikatną woń hiacyntów, – bo dehydrogenaza etylobenzenowa okazała się pierwszym enzymem z całej grupy bardzo ciekawej katalizatorów molibdenowych. Jeden z nich być może będzie wkrótce produkował cenne dla nas leki.

Literatura

[1] M. Szaleniec, C. Hagel, M. Menke, P. Nowak, M. Witko, J. Heider, “Kinetics and mechanism of oxygen-independent hydrocarbon-hydroxylation by ethylbenzene dehydrogenase”, Biochemistry 2007; 46, 7637-7646

[2] M. Szaleniec, A. Dudzik, B. Kozik, T. Borowski, J. Heider, M. Witko, “Mechanistic basis for the Enantioselectivity of the Anaerobic Hydroxylation of Alkylaromatic compounds by Ethylbenzene Dehydrogenase”, J. Inorg. Biochem., 139 (2014) 9-20