Naturlige enzymer er bemærkelsesværdige molekylære maskiner, der muliggør alle slags essentielle biokemiske reaktioner. I årtier har forskere forsøgt at skabe kunstige versioner af disse katalysatorer til industrielle og biomedicinske anvendelser. De har dog kæmpet for at matche naturens effektivitet og enkelhed. Dette har på sin side hindret udviklingen af miljøvenlige katalysatorer til bæredygtig kemi.
Oprettelse af kunstige enzymer kræver typisk enten kofaktorer eller komplekse strukturelle arrangementer, der præcist placerer reaktive grupper i tredimensionelt rum. Disse krav begrænser designfleksibilitet, hvilket ofte resulterer i enzymer, der underpresterer sammenlignet med deres naturlige kolleger. At finde enklere tilgange, der ikke ofrer katalytisk magt, har været et undvigende mål inden for biokatalyse.
På dette baggrund rapporterede et forskerteam ledet af professor Takafumi Ueno fra Institute of Science Tokyo, Japan, en ny tilgang til enzymdesign ved hjælp af protein nanocages. Deres papir, der er offentliggjort i Angewandte Chemie Den 24. april 2025 demonstrerer, hvor præcist arrangerede histidinaminosyrer inde i et ferritinproteinbur kan fungere som en meget effektiv metalfri peroxidase-et enzym, der driver oxidationsreaktioner ved anvendelse af hydrogenperoxid som reaktant.
Forskerne konstruerede ferritinburet ved at introducere histidinrester og en række målrettede mutationer. Ved at drage fordel af ferritins evne til at samles til proteinbure skabte de klynger af histidinrester på burets indre overflade. Disse histidinklynger fungerer som katalytiske centre og efterligner peroxidaseaktivitet, der fremmer reaktioner mellem hydrogenperoxid og 3,3 ‘, 5,5’-tetramethylbenzidin-substrat.
“Den konstruerede ferritinvariant viste ca. 80 gange højere reaktionseffektivitet sammenlignet med konventionelle oligohistidin -samlinger,” bemærker prof. Ueno.
Holdets innovative tilgang viser, at det rette rumlige arrangement af enkle aminosyrer kan eliminere behovet for metalcofaktorer i visse enzymatiske reaktioner. Gennem omhyggelig placering af disse aminosyrer ved grænsefladerne på ferritinburet producerede teamet et begrænset reaktionsmiljø, der markant forbedrede katalytisk aktivitet.
Ved hjælp af molekylære dynamik -simuleringer afslørede de, hvordan ferritinburet begrænser reaktanter i nærheden af histidinklyngerne og forklarede den dramatiske forbedring i katalytisk effektivitet.
“Baseret på teoretiske beregninger bekræftede vi, at denne høje aktivitet forbedres yderligere af en ‘begrænset miljøeffekt’ inden for proteinburet, der koncentrerer reaktanter og letter deres interaktion,” siger prof. Ueno.
Disse spændende fund låser op for nye muligheder for proteinbure i metalfrie katalytiske systemer, som kunne finde anvendelser i bæredygtig kemisk produktion, udvikling af biomaterialer og miljømæssig sanering. “Denne forskning repræsenterer en stor fremskridt inden for kunstigt enzymdesign og miljøvenlig katalyse, der baner vejen for udviklingen af bæredygtige biokatalysatorer,” konkluderer prof. Ueno.
I den nærmeste fremtid kunne yderligere undersøgelser på dette område føre til bioinspirerede katalysatorer med højt ydeevne. Ved at raffinere den rumlige design af katalytiske rester og udforske andre selvmonterende proteinrammer, kan forskere udvikle en bredere række metalfrie enzymer, der er skræddersyet til specifikke industrielle eller biomedicinske opgaver.
Sådanne fremskridt ville ikke kun forbedre katalytisk effektivitet, men også reducere afhængigheden af sjældne eller giftige metaller, hvilket gør grøn kemi mere tilgængelig og praktisk til applikationer i den virkelige verden på tværs af forskellige sektorer.