Kunstige enzymer - Viden (JP)

More documents

Recommendations

Info

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-
Page 1: 24 A k t u e l N a t u r v i d e n

Kunstige enzymer - Viden (JP)

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?