Kunstige enzymer - Viden (JP)

24
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 6 | 2 0 0 3
Når kemikere fremstiller nye
forbindelser, står de ofte med
det problem, at man ikke får
kun det ønskede stof, men en
blanding af forskellige stoffer.
Derfor forsøger kemikere nu at
efterligne naturens enzymer, der
på elegant vis har overkommet
dette problem.
Af Brian Schou Rasmussen
Kunstige enzymer

Foto: Verdens største producent af enzymer: det danske fi rma Novozymes
■ Når en syntesekemiker arbejder
med at fremstille nye kemiske
forbindelser, gælder det om
at fi nde de helt rigtige reaktionsbetingelser
til at danne det
ønskede stof. Det kan i sig selv
være svært nok, men man støder
også ofte på et andet problem:
At der ud over det ønskede produkt
også dannes andre uønskede
forbindelser som sideprodukter.
Det kan være et stort
praktisk og økonomisk problem
at skille stofferne i blandingen
fra hinanden for at få det
ønskede, rene produkt.
Som en hjælp til at fremme
de ønskede reaktioner anvender
man ofte katalysatorer – dvs.
forbindelser, der øger hastigheden
af kemiske reaktioner, uden
selv at blive forbrugt. Katalysatorer
kendes f.eks. fra udstødningen
i en bil, hvor katalysatoren
er i stand til hurtigt at
omdanne nitrogenmonoxid og
carbonmonoxid til ugiftige luftarter.
Derved begrænser man
mængden af skadelige stoffer,
der slippes ud i miljøet.
I dag fi ndes der et utal af forskellige
og meget effektive katalysatorer,
der virker på mange
forskellige reaktioner. De muliggør
dels, at reaktioner forløber
hurtige og dels, at man kan
fremme en bestemt reaktion
frem for andre reaktioner, der
giver uønskede sideprodukter.
Der udvikles stadig nye katalysatorer
for at åbne op for nye
reaktioner og muligheder, f.eks.
i syntesen af nye lægemidler.
Biologiens vs.
kemiens katalysatorer
Naturen har også sine egne
katalysatorer, nemlig enzymerne.
Enzymer er proteiner,
som er meget store molekyler,
hovedsageligt opbygget af
mindre aminosyre-enheder, og
de består oftest af fl ere tusinde
atomer. Enzymerne er kemikerens
katalysatorer overlegne på
mange punkter.
Når naturens enzymer katalyserer
reaktioner danner de
således kun det specifi kke stof,
som de er beregnet til – der bliver
altså ikke dannet uønskede
biprodukter, som organismen
skal bruge energi på at skille sig
af med, eller som i værste fald
er skadelige for organismen.
En almindelig kemisk katalysator
kan ofte fremme den
samme reaktion på fl ere forskellige
udgangsstoffer. Derimod er
enzymerne normalt mere specifi
kke og omdanner kun helt
bestemte stoffer. Dette er nødvendigt,
fordi der i cellerne er
et hav af forskellige stoffer, og
det er nødvendigt at skelne mellem
dem.
Kemikerens metoder virker
ofte grove og uforfi nede, når
de sammenlignes med de mere
elegante enzymer. I laboratoriet
er man tit nødt til at anvende
sundhedsskadelige opløsningsmidler,
meget stærke syrer eller
baser, høje temperaturer eller
tryk eller tungmetaller for at
få de ønskede reaktioner til at
forløbe. Til gengæld foregår
naturens reaktioner i almindelige
vandige opløsninger, ved
moderate temperaturer og kun
sjældent bruges tungmetaller i
enzymerne.
En af vejene til at gøre kemiske
processer mere miljøvenlige
er derfor at afl ure naturen hemmelighederne
bag enzymerne og
gøre dem kunsten efter.
Udnyttelsen af enzymer
Enzymer bliver udnyttet til
mange formål i industrien – for
eksempel til rengøringsmidler
og forædling af tekstiler og fødevarer,
hvor enzymer kan forbedre
egenskaberne af produkterne.
Verdens største producent
af enzymer er danske Novozymes,
der sælger enzymer til et
væld af forskellige formål.
Kemikere vil på grund af
enzymernes mange fordele
gerne anvende dem som katalysatorer
til syntese. Det sker
allerede med stor succes i fremstillingen
af mange lægemidler.
Når enzymerne anvendes til
disse synteseformål kaldes det
biokatalyse.
Enzymerne har dog også
ulemper. Inden for syntesekemi
kan det for eksempel være,
at der ikke fi ndes enzymer til
netop den reaktion, man gerne
vil lave. Selv om det i naturen
er en fordel, at enzymerne kun
virker på helt bestemte stoffer,
kan det også være en hindring.
Enzymet virker måske ikke
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 6 | 2 0 0 3
Katalysatorer
Energi
A
A B
ukatalyseret
katalyseret
B
Reaktionsforløb
En katalysator er en kemisk forbindelse, der øger hastigheden af en
kemisk reaktion, uden selv at blive forbrugt i reaktionen.
Lad os kigge på en tænkt kemisk reaktion – udgangsstoffet A
reagerer og danner produktet B. For at kemiske reaktioner kan forløbe
kræves aktiveringsenergi. Det kan sammenlignes med en bold, der
skal have en vis fart på for at rulle op over en bakketop (rød kurve).
Denne aktiveringsenergi er med til at begrænse hastigheden for kemiske
reaktioner.
Hastigheden kan f.eks. øges ved at varme systemet op, da varme
giver reaktanterne mere energi, så de nemmere kan kommer over
bakken.
Katalysatorer virker ved at sænke aktiveringenergien, fordi reaktanterne
vekselvirker med katalysatoren og derved kan komme en
nemmere vej til produktet (grøn kurve). Efter reaktionen frigøres katalysatoren
og kan virke igen på nye reaktanter. Katalysatorer kan være
noget så simpelt som en lille smule syre eller base til små organiske
molekyler og metalforbindelser eller store enzymer.
Enzymernes
overlegenhed
HO
HO
HO
HO
OH
O
HO
F
OH
O
HO
+
HO
HO
O
HO
O R G A N I S K K E M I
OH
OH
modificeret
glycosidase
OH
OH
O
O
NO 2
NO 2
Et eksempel på enzymernes overlegenhed er i syntesen af komplekse
organiske molekyler. Glycosidaser er enzymer, der spalter de enkelte
sukkerstof-enheder fra hinanden i større sukkermolekyler. Hvis man
modifi cerer de naturlige glycosidaser en smule, kan de også udnyttes
til at opbygge sukkerstoffer. Et eksempel er i syntesen af sukkerstoffet
ovenfor, der består af to sukkerenheder, som kobles sammen. Fordi
det kunstige enzym har arvet den meget specifi kke genkendelse fra
naturen, sættes enheden til venstre sammen med en helt bestemt
alkohol--gruppe (OH) på enheden til højre. For kemikere ville det med
normale metoder uden brug af enzymer være meget mere kompliceret
at skulle skelne de mange OH-grupper fra hinanden og man ville oftest
få blandinger af forskellige produkter.
25

26
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 6 | 2 0 0 3
O R G A N I S K K E M I
på netop det stof, man gerne
vil bruge i laboratoriet. Desuden
kan enzymer være dyre
eller svære at fremstille i større
mængder eller ustabile, så de let
går i stykker og kun kan bruges
i kort tid. Moderne bioteknologiske
teknikker har dog åbnet
op for at fremstille og forbedre
allerede eksisterende enzymer,
så de kan anvendes i f.eks.
vaskepulver, der også virker ved
højere temperaturer.
Kunstige enzymer
Der er mange forskningsgrupper,
der arbejder på at udvikle
kunstige enzymer for derigennem
at lære mere om, hvordan
enzymerne virker og udvide
spektret af mulige kemiske reaktioner
og opnå bedre kontrol
Intermolekylære bindinger og supramolekylær kemi
I molekyler er atomerne normalt
holdt sammen med såkaldte
kovalente bindinger, der er
deling af elektroner mellem to
atomer. Kovalente bindinger
tegnes som enkelt-, dobbelt-
eller tripel-streger alt efter, hvor
mange elektronpar, der er delt
mellem de to atomer.
Men de enkelte molekyler
vekselvirker eller interagerer
også med hinanden. Supramolekylær
kemi beskæftiger sig
netop med disse intermolekylære
bindinger, som er de kræfter,
der holder de enkelte molekyler
sammen. Det kan f.eks.
være hydrogenbindinger, ioniske
eller hydrofobe interaktioner.
I vores kunstige enzymer
har vi udnyttet en speciel
intermolekylær vekselvirkning
– nemlig hydrogenbindingen
I
O O +
O
HN NH
I
O
barbiturat
O O
N N
O
NH
N
O
a) b)
P Pd
NH
N N
O
O
P
HN
N
O
HN
O
kunstig enzym
O
O
– til at genkende og binde stoffer
til hinanden. Specifi kt har
vi anvendt barbiturater, der er
en klasse af stoffer, der især
tidligere har været anvendt som
beroligende eller bedøvelsesmidler
og udmærker sig inden
O
NH
bindinger, markeret med røde
stiplede steger. Derimod kan
det kunstige enzym ikke binde
det andet barbiturat (violet),
som ikke er i stand til at danne
så mange hydrogenbindinger.
Altså kan det kunstige enzym
gennem molekylær genkendelse
skelne det grønne barbiturat fra
det violette. Når barbituratet er
genkendt i den store receptor, er
N
O
H
N
O
O
H
N
P Pd
I
O O
HN NH
NH
over, hvilke produkter der dannes.
Selv om det kan lyde simpelt
blot at efterligne naturens
enzymer, er det en kompliceret
opgave, som kan gribes an på
fl ere måder.
Et udgangspunkt er at starte
med naturlige enzymer og
ændre på dem til man opnår
den funktionalitet, man ønsker.
Det kan foregå ved bevidst
a) De to ioner holdes sammen af elektrostatiske kræfter.
b) Hydrogenbindinger er blandt andet med til at holde aminosyrerne i et
protein sammen.
c) De enkelte molekyler i opløsningsmidlet benzen holdes sammen af hydrofobe
vekselvirkninger.
R
R
O
N
H
O
P
HN
O
N
H
N
O
R
R
HN
H
N
O
O
H
N
O
c)
for supramolekylær kemi ved
at kunne danne seks hydrogenbindinger.
Det kunstige enzym (blåt)
er i stand til at genkende og
binde det lille barbiturat (grønt)
ved at danne seks hydrogen-
det samtidig placeret med den
reaktive del tæt på den katalytiske
del af receptoren, i dette
tilfælde et palladium-atom (Pd
i strukturen). Genkendelsen og
placeringen i den blå receptor
gør, at det reagerer fl ere gange
hurtigere end det violette barbiturat,
der ikke genkendes af
receptoren og derved ikke placeres
i vores kunstige enzym.
at skifte enkelte aminosyrer
i enzymet ud. Men da enzymerne
er store komplicerede
proteiner, som består af mange
aminosyrer, er det ofte svært
at forudsige, hvilken effekt en
lille ændring vil have. Alternativt
kan man tilfældigt lave en
masse forskellige nye muterede
enzymer med små ændringer
og vælge det enzym, som har
fået forbedret sine egenskaber
mest. Processerne kan gentages
og efter nogle generationers
evolution og udvælgelse kan
man opnå væsentlig forbedrede
enzymer, uden at det er nødvendigt
at vide noget om, hvordan
enzymet faktisk virker. Dette
princip bliver i takt med, at det
bliver både hurtigere og billigere
at gennemføre processerne med
evolution og udvælgelse, i stigende
grad brugt til at lave nye,
delvist kunstige enzymer.
For nylig har en gruppe amerikanske
forskere ved hjælp
af denne metode modifi ceret
naturlige enzymer til at kunne
nedbryde nervegassen soman.
På sigt tænkes disse enzymer
anvendt i for eksempel gasmasker.
Molekylær genkendelse
På Kemisk Institut ved Aarhus
Universitet, arbejder vi med en
anden tilgangsvinkel. Vi prøver
at designe mere almindelige
kemiske katalysatorer, der samtidig
har nogle af enzymernes
egenskaber.
Det gør vi ved at kombinere
kendte kemiske katalysatorer
med en molekylær “genkendelsesdel”
for derved at opnå forbedrede
egenskaber i form af
for eksempel øget reaktionshastighed
og en mindre andel af
uønskede sideprodukter. Ved at
bygge store molekyler, der dels
indeholder en katalytisk del og
dels en genkendelsesdel, der kan
udvælge og orientere stoffer,
har vi opnået et system, der på
fl ere måder minder om naturens
enzymer.
Vores princip bygger på, at
genkendelsesdelen af molekylet
genkender og orienterer
udgangsstoffet på en måde, så
det bliver ført tæt på den katalytiske
del af molekylet (se fi gur).
Herved sker reaktionen nem-

mere og hurtigere. Kun stoffer,
der passer ind i genkendelsesdelen,
opnår en betydelig hastighedsforøgelse
i reaktionen. På
denne måde kan vores kunstige
enzym skelne mellem forskellige
udgangsstoffer. Desuden
kan genkendelsen styre reaktionen,
så den kun foregår på en
bestemt måde eller bestemt sted
i molekylet, f.eks. fordi det store
kunstige enzym skærmer molekylet
for uønskede reaktioner.
På længere sigt kan disse principper
også udnyttes til at gøre
ellers ufavorable eller umulige
reaktioner mulige, idet effekten
af at føre to reaktive molekyler
tæt sammen gennem genkendelsen
kan være meget stor – så
stor, at ellers utænkelige reaktioner
kan fi nde sted.
Stadig udfordringer
Selv om kemikere efterhånden
har en stor forståelse for,
hvordan reaktioner foregår og
enzymer virker, er der en andel
af “trial and error” involveret
i udviklingen af kunstige
enzymer. På trods af moderne
computerprogrammer, der kan
lave avancerede beregninger på
kemiske strukturer og reaktioner,
er det stadig svært at forudsige
præcis, hvordan disse
kunstige enzymer vil opføre sig.
Ofte er man nødt til at prøve
sig frem med små ændringer i
strukturen og se, hvilken indfl
ydelse det har på egenskaberne.
Et dilemma, man støder på,
er valget mellem fastlåste og
fl eksible strukturer. For at styre
orienteringen af udgangsstoffer,
så man kan få reaktionen til
at foregå et bestemt sted eller
på en bestemt måde, er det en
fordel at have så fastlåste strukturer
som muligt. Desværre er
det svært med sikkerhed at forudsige
præcis, hvordan den låste
struktur vil opføre sig, og hvis
den er bare lidt forkert virker
systemet måske slet ikke. Hvis
man derimod laver fl eksible
strukturer i det kunstige enzym,
bliver det nemmere for enzymet
at tilpasse sig, men til gengæld
mister man samtidig noget af
kontrollen over, hvor præcist
stofferne placeres i forhold til
hinanden.
Adskillelse af
spejlbilledmolekyler
Et problem organiske kemikere ofte står over for, er at adskille molekyler,
der er hinandens spejlbilleder. I mange reaktioner får man
dannet begge spejlbilleder af et stof, men tit er man kun interesseret
i det ene, og de må derfor skilles fra hinanden – dette kaldes resolvering.
Det kan dog være særdeles svært, da de to spejlbilledformer
af samme stof på mange måder opfører sig helt ens, f.eks. har de
samme smelte- og kogepunkt samt opløselighed. Desuden reagerer de
ens under de fl este betingelser i laboratoriet.
omdannet til syre
O
O
Et eksempel kunne være at adskille de to estre vist på fi guren oven
for. Enzymer er, i modsætning til almindelige kemiske metoder, i stand
til at skelne det ene spejlbillede fra det andet, idet kun det ene genkendes
effektivt i enzymet. Hvis man derfor til blandingen tilsætter
et specielt esterase-enzym, der kan omdanne estre til syrer, kan man
opnå kun at få omdannet det ene spejlbillede til syren og det andet
forbliver ureageret som estren. Syren og estren kan derefter nemt
skilles fra hinanden, idet deres fysiske egenskaber som f.eks. opløselighed
er meget forskellige.
Milliarder års arbejde
Potentielt er anvendelsesmulighederne
for kunstige enzymer
store. Allerede nu bliver
naturlige enzymer brugt i både
forskning og industrielle processer,
hvor de udfører reaktioner
hurtigere og bedre end
man kan opnå med almindelige
kemiske metoder. Kunstige
enzymer kan øge spektret
+
+
to spejlbilledformer af en ester
O
OH
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 6 | 2 0 0 3
O R G A N I S K K E M I
esterase-enzym
forbliver ester
O
O
O
O
af mulige reaktioner og gøre
fremstillingen af kemiske stoffer
både billigere og mere miljøvenlig.
Udviklingen fortsætter
hastigt inden for feltet og
måske bliver kemikere en dag
lige så gode til at lave reaktioner
som naturen – og den har
trods alt haft fl ere milliarder års
evolution til at perfektionere
sine enzymer. ■
Om forfatteren
Brian Schou Rasmussen er
ph.d., Kemisk Institut,
Aarhus Universitet
e-post: bsr@chem.au.dk
Videre læsning
Preparation of a novel diphosphine–palladium
macrocyclic
complex possessing a molecular
recognition site. Oxidative
addition studies. Jens Larsen,
Brian S. Rasmussen, Rita
G. Hazell and Troels Skrydstrup.
Chem. Commun. 2004
(Advance Article)
Synthesis and binding properties
of chiral macrocyclic barbiturate
receptors: application
to nitrile oxide cyclizations.
Brian S. Rasmussen, Unai
Elezcano and Troels Skrydstrup.
J. Chem. Soc., Perkin
Trans. 1, 2002, (14), 1723.
27