Специалисты из Манчестерского [1] (Великобритания) и Базельского [2] (Швейцария) университетов объединили свои знания и опыт, создавая нестандартную комбинацию ферментативных и обычных химических катализаторов для проведения многостадийных непрерывных превращений. В наших клетках ферменты с радостью взаимодействуют с подходящими субстратами, передавая продукт катализируемого ими превращения другому энзиму для проведения следующей стадии. К сожалению для химиков, простое добавление к такой системе химического катализатора на основе переходного металла не приводит к каким-либо положительным результатам: химический и биологический катализатор друг друга инактивируют. Это значит, что для новых химических превращений природные ферменты должны быть подвергнуты модификации. По крайней мере именно такой путь всегда считался единственно возможным.
Покрытие из белка стрептавидина защищает иридиевый катализатор и природный фермент друг от друга, позволяя одновременно использовать их в одной реакционной смеси. (Иллюстрация Nature.)
Швейцарские учёные, скопив солидный опыт в разработке искусственных металлоферментов, где в активном центре протеинов присутствуют переходные металлы, сделали следующий шаг, объединив своих «искусственников» с природными ферментами.
В качестве подопытного был выбран фермент моноаминоксидаза (МАО [3]) — очень селективная оксидаза, которая в компании с восстанавливающим агентом или катализатором конвертирует рацемическую смесь аминов в один чистый энантиомер. Обычно на стадии восстановления используется твёрдый гетерогенный катализатор, который вводится только после применения и отделения МАО. С другой стороны, искусственный металлофермент является гомогенным катализатором и даёт возможность проводить весь процесс без разрывов в общем реакторе.
Исследователи синтезировали искусственную трансферную гидрогеназу (АТН), покрыв иридий-содержащий катализатор восстановления белком стрептавидином. Для сравнения: использование простой комбинации МАО и иридиевого катализатора приводит к нулевому выходу продукта, в то время как применение синтетической АТН запускает каскад окисление — восстановление. После некоторых модификаций и улучшений структур катализаторов учёным удалось достичь количественной эффективности процесса: выход достиг 99% при сохранении чрезвычайно высокой энантиомерной чистоты продукта.