Opisujemy protokół katalizowanego światłem wytwarzania nadtlenku wodoru — kofaktora przemian oksydacyjnych.
Method Article
Opisujemy protokół katalizowanego światłem wytwarzania nadtlenku wodoru — kofaktora przemian oksydacyjnych.
Oksydoreduktazy należą do najczęściej stosowanych enzymów przemysłowych. Niemniej jednak potrzebują zewnętrznych elektronów, których dostarczanie jest często kosztowne i trudne. Recykling donorów elektronów NADH lub NADPH wymaga użycia dodatkowych enzymów i substratów protektorowych. Co ciekawe, kilka oksydoreduktaz akceptuje nadtlenek wodoru jako donor elektronów. Chociaż jest niedrogi, odczynnik ten często zmniejsza stabilność enzymów. Rozwiązaniem tego problemu jest generowanie kofaktora in situ. Ciągłe dostarczanie kofaktora o niskim stężeniu napędza reakcję bez pogorszenia stabilności enzymu. W artykule przedstawiono metodę katalizowanego światłem wytwarzania nadtlenku wodoru in situ na przykładzie zależnej od hemu dekarboksylazy kwasów tłuszczowych OleTJE. Dekarboksylaza kwasów tłuszczowych OleTJE została odkryta ze względu na jej unikalną zdolność do wytwarzania długołańcuchowych 1-alkenów z kwasów tłuszczowych, co jest nieznaną dotąd reakcją enzymatyczną. 1-alkeny są szeroko stosowanymi dodatkami do plastyfikatorów i smarów. Wykazano, że OleTJE akceptuje elektrony z nadtlenku wodoru do oksydacyjnej dekarboksylacji. Podczas gdy dodanie nadtlenku wodoru uszkadza enzym i skutkuje niską wydajnością, wytwarzanie kofaktora in situ pozwala obejść ten problem. System fotobiokatalityczny wykazuje wyraźne korzyści w zakresie aktywności enzymu i wydajności, co skutkuje prostym i wydajnym systemem dekarboksylacji kwasów tłuszczowych.
Zmiana klimatu i przewidywalne wyczerpanie zasobów odnawialnych stanowi poważne zagrożenie dla naszego społeczeństwa. W tym kontekście kataliza enzymatyczna stanowi wciąż nie w pełni wykorzystany potencjał dla rozwoju zrównoważonej i "bardziej ekologicznej" chemii1. Oksydoreduktazy mają zdolność katalizowania wprowadzania i modyfikacji grup funkcyjnych w łagodnych warunkach reakcji i należą do najważniejszych biokatalizatorów2. Większość przemian redoks wymaga dostarczenia zewnętrznych kofaktorów, takich jak NAD(P)H. Metody regeneracji kofaktorów zostały zastosowane na skalę przemysłową. Nadal jednak wiążą się one z wysokimi kosztami procesu, co ogranicza ich zastosowanie głównie do produktów o wysokiej wartości. Co ciekawe, kilka monooksygenazperoksydaz 3,4 i P4505 akceptuje elektrony z nadtlenku wodoru za pośrednictwem tak zwanego bocznika nadtlenkowego. ChociażH2O2jest tanim koreagentem, podobno jest szkodliwy dla wielu enzymów. Stałe tworzenie in situ niskich stężeń nadtlenku wodoru jest realnym podejściem do kierowania reakcją bez uszczerbku dla stabilności operacyjnej enzymu.

Rysunek 1. Eksperymentalne przygotowanie fotobiokatalitycznej dekarboksylacji kwasów tłuszczowych przez OleTJE. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Wykorzystanie światła jako źródła energii w procesach chemicznych i biologicznych cieszy się coraz większą uwagą w ostatnich latach6. Wytwarzanie nadtlenku wodoru napędzane światłem okazało się łatwą i niezawodną metodą dostarczania nadtlenku wodoru do przemian redoks (rysunek 1). Fotokatalizator, taki jak mononukleotyd flawinoadeninowy (FMN), umożliwia redukcję tlenu cząsteczkowego do nadtlenku wodoru, który następnie jest wykorzystywany jako kofaktor w enzymatycznej reakcji oksyfunkcjonalizacji. Możliwymi donorami elektronów są kwas etylenodiaminotetraoctowy (EDTA), askorbinian lub niedrogi formiat. Metoda ma ogólne zastosowanie do enzymów zależnych odH2O2, w tym monooksygenaz peroksydaz3,4 i P45055
.Niedawno badaliśmy zastosowanie nowej bakteryjnej dekarboksylazy7 do przemiany naturalnych tłuszczów w olefiny8. Byłaby to zrównoważona droga syntezy powszechnie stosowanych chemikaliów platformowych ze źródeł biologicznych. Dekarboksylaza OleTJE z bakterii Gram-dodatniej Jeotgalicoccus sp. katalizuje oksydacyjną dekarboksylację kwasów tłuszczowych i tworzy 1-alkeny jako produkty. OleTJE jest ściśle spokrewniony z bakteryjnymi monooksygenazami P450 i do reakcji potrzebuje elektronów z nadtlenku wodoru.
Niestety, dodanie H2O2 do roztworu substratu i enzymu spowodowało niską konwersję i słabą powtarzalność wyników, prawdopodobnie z powodu szkodliwego wpływu nadtlenku wodoru na stabilność OleTJE. Wytwarzanie białka fuzyjnego z reduktazą NADPH RhFred umożliwiło dekarboksylację zależną od NADPH. 9 Niemniej jednak wysoka cena NADPH i obecne ograniczone możliwości opłacalnej regeneracji skłoniły nas do zbadania tańszych donorów elektronów. Zainspirowani podobieństwem OleTJE do monooksygenaz P450, zastosowaliśmy katalizowaną światłem generacjęH2O2. Z przyjemnością uzyskaliśmy wysokie konwersje (do >95%) przy użyciu ekstraktów bezkomórkowych lub oczyszczonych roztworów enzymatycznych.
Na przykładzie dekarboksylacji kwasów tłuszczowych przedstawiamy ogólny protokół dla enzymatycznych przemian redoks sterowanych światłem przy użyciu FMN jako fotokatalizatora i nadtlenku wodoru jako kofaktora. Przedstawione metody obejmują wytwarzanie enzymu w rekombinowanej komórce E. coli, oczyszczanie enzymu, zastosowanie do syntezy 1-alkenów oraz analizę produktów reakcji.
Uwaga: Proszę zapoznać się ze wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki substancji niebezpiecznej (MSDS) przed użyciem. Kilka substancji chemicznych stosowanych w tych syntezach jest silnie toksycznych i rakotwórczych. Wszystkie etapy związane ze szkodliwymi rozpuszczalnikami organicznymi, w szczególności ekstrakcja produktów reakcji i derywatyzacja kwasów tłuszczowych, muszą być przeprowadzane pod wyciągiem przy użyciu środków ochrony indywidualnej (okulary ochronne, rękawice, fartuch laboratoryjny, długie spodnie, buty z zakrytymi palcami). Wszystkie czynności związane z organizmami zmodyfikowanymi genetycznie w tych pracach wymagają instalacji zatwierdzonych do pracy z organizmami zmodyfikowanymi genetycznie o poziomie bezpieczeństwa S1.
1. Ekspresja rekombinowanej dekarboksylazy OleTJE w E. coli
2. Biotransformacja katalizowana światłem

Podczas gdy dodanie nadtlenku wodoru do mieszaniny reakcyjnej spowodowało niską lub umiarkowaną konwersję (<10%), wytwarzanie nadtlenku wodoru in situ zwiększyło konwersję do 80%. Analiza metodą GC/MS wskazuje na tworzenie się olefin z kwasów tłuszczowych (ryc. 2).

Rysunek 2. (A) Profil temperatury dla pomiarów GC/MS. (B) Odcisk palca 1-heptadecenu eluującego po 11,4 min. (C) Charakterystyczne wtórne jony fragmentacyjne CnH2n-1 końcowych olefin pokazane na przykładzie 1-heptadecenu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Reakcja katalizowana światłem osiągnęła wysokie konwersje dzięki bezkomórkowym ekstraktom E. coli. Oczyszczony roztwór enzymu wykazał wyraźną korelację między stężeniem enzymu a jego konwersją. Zwiększenie stężenia cząsteczki zbierającej światło FMN prowadzi do wyższych konwersji. Jednak zwiększenie stężenia powyżej 10 mM nie przyspieszyło jeszcze bardziej reakcji, co wskazuje, że ilość nadtlenku wodoru jest wystarczająco dostępna i nie jest już czynnikiem ograniczającym.
Oprócz dekarboksylacji kwasów tłuszczowych, OleTJE katalizuje również hydroksylację w pozycji β. Podczas konwersji kwasu stearynowego dekarboksylacja jest około trzy razy szybsza niż hydroksylacja. W typowym eksperymencie z użyciem roztworu 0,5 mM kwasu stearynowego i 10 μM FMN, 99% substratu przekształcono w mieszaninę 1-heptadecenu i kwasu 2-hydroksystearynowego w stosunku 3,3:1 (ryc. 3)8. Badanie widma substratów biokatalizy sterowanej światłem wykazało, że w przypadku kwasów tłuszczowych o dłuższych łańcuchach acylowych OleTJE preferencyjnie katalizuje dekarboksylację, podczas gdy względna ilość hydroksylowych kwasów tłuszczowych w mieszaninie produktów wzrastała wraz z krótszą długością łańcucha. Kwasy tłuszczowe krótsze od kwasu mirystynowego (C14) nie ulegały dekarboksylacji.

Rysunek 3. Chromatografia gazowa dekarboksylacji kwasu stearynowego za pośrednictwem OleTJE (11,15 min) do 1-heptadecenu (8,4 min), kwasu α-hydroksystearynowego (12,04 min) β-hydroksystearynowego kwasu (12,1 min). Pokazana jest zmiana powierzchni pików w próbkach pobranych w ciągu 2 godzin. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Zaskakująco, nienasycone kwasy kwas oleinowy (C18:1d9 cis) i kwas linolowy (C18:2d9d12) nie zostały zaakceptowane jako substraty, co wskazuje, że skręcona konfiguracja podwójnych wiązań cis nie może być zaakomodowana w produktywnym trybie wiązania w enzymie. Dodatek kwasu oleinowego (10%) zapobiegał również przemianie kwasu stearynowego. Co ciekawe, kwas stearynowy (C18:1d9 trans) został przekształcony przez OleTJE, jednak z nieco niższą aktywnością niż kwas stearynowy.
Napędzana światłem generacja nadtlenku wodoru może być stosowana do szeregu przemian redoks, w tym peroksygenaz3, chloroperoksydaz10 i monooksygenaz P4505. Jest to łatwe i praktyczne podejście. W dłuższej perspektywie wykorzystanie światła widzialnego otwiera perspektywę wykorzystania światła słonecznego do przemian chemicznych, które jest zrównoważoną alternatywą dla reakcji bogatych w energię.
Metodę stosuje się w przypadku oczyszczonego enzymu lub ekstraktu bezkomórkowego. Chociaż to ostatnie wymaga mniejszych kosztów i pracy, należy zauważyć, że małe cząsteczki w surowym ekstrakcie mogą zakłócać konwersję katalizowaną światłem. Praktycznym podejściem jest usunięcie tych małych składników za pomocą mikromembrany (tj. przez odwirowanie w filtrze odśrodkowym lub przez dializę). Stężenie cząsteczki zbierającej światło FMN określa stężenie nadtlenku wodoru. W zależności od powinowactwa oksydoreduktazy, stężenie to ma decydujące znaczenie dla aktywności enzymatycznej. Innym ważnym czynnikiem jest stężenie protektorowego donora elektronów EDTA. Najważniejszym parametrem jest jednak stabilność działania i aktywność enzymu.
Olefinizacja kwasów tłuszczowych jest elegancką reakcją przekształcania biopochodnych kwasów tłuszczowych w olefiny, które należą do głównych surowców dla przemysłu chemicznego. Sterowana światłem biokatalityczna dekarboksylacja może być przeprowadzana w temperaturze pokojowej i przy neutralnym pH, co zapewnia wyraźne korzyści w zakresie zrównoważonego rozwoju.
Nasze wyniki pokazują, że wytwarzanie nadtlenku wodoru in situ jest strategią dostarczania kofaktora bez pogorszenia stabilności enzymu, co prowadzi do wysokiej konwersji. Obecne metody regeneracji kofaktorów wykorzystują produkty rolne lub chemikalia na bazie ropy naftowej. Reakcje napędzane światłem stają się odnawialną alternatywą. Przyszłe badania będą poświęcone metodom zastępowania odczynnika protektorowego EDTA tańszymi cząsteczkami oraz zmniejszaniu ilości cząsteczki zbierającej światło FMN.
Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.
R.K. i F.H. są wdzięczni Komisji Europejskiej za wsparcie finansowe w ramach Biokaskad Marie-Skłodowska ITN (nr 634200).
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Chemicals | |||
| Ampicillin | Sigma Aldrich | 69-52-3 | |
| Odczynnik Bradford | Roth | K015.1 | |
| BSA | Sigma Aldrich | 90604-29-8 | |
| DMSO | Sigma Aldrich | 67-68-5 | |
| Octan etylu | Fisher Chemical | 141-78-6 | |
| Kwas etylenodiaminotetraoctowy (EDTA) | Roth | 8043.1 | |
| Hydrat soli sodowej 5-monofosforanu ryboflawiny | Sigma Aldrich | 130-40-5 | |
| Kwas chlorowodorowy 37% | Sigma Aldrich | 7647-01-0 | |
| Nadtlenek wodoru 30% | Sigma Aldrich | 7722-84-1 | |
| δ-Kwas aminolewulinowy | Sigma Aldrich | 5451-09-2 | |
| N-metylo-N-(trimetylosililo)trifluoroacetamid (MSTFA)Sigma | Aldrich | 24589-78-4 | |
| Kwas mirystynowy >99% | Sigma Aldrich | 208-875-2 | |
| Imidazol | Sigma Aldrich | 288-32-4 | |
| Chlorek sodu | Fisher Chemical | 7647-14-5 | |
| Kwas stearynowy >99% | Sigma Aldrich | 57-11-4 | |
| Tetracyklina | Sigma Aldrich | 60-54-8 | |
| Tergitol | Sigma Aldrich | MFCD01779855 | |
| Tris(hydroksymetylo)-aminomethan | Sigma Aldrich | 77-86-1 | |
| Device | |||
| Inkubator wytrząsarka | G-25CK | New Brunswick Scientific | |
| Ecotron | Infors HT | ||
| Wirówka | 400R | Heraeus | |
| RC 5B Plus | Sorvall | ||
| Fresco 17 | Thermo Scientific | ||
| Wirniki wirówkowe | SS34 | Sorvall | |
| SLA | Sorvall | ||
| Clean bench | Envirco | Ceag Schirp Reinraum technik | |
| Kolumna GC-FID | CP-Sil 5CB (30 m x 0,25 mm x 0,25 &mikro; m) | Kolumna Agilent Technologies | |
| GC-MS | FactorKolumna kapilarna czterokapilarna (VF-5 ms + 5 m EZ Guard) | Varian | |
| GC-FID | GC-2010 plus | Shimadzu | |
| GC-MS | IST-40 | Varian | |
| Mieszadło magnetyczne | RCT klasyczny | ||
| SevenEasy | Mettler toledo | ||
| Sonicator | Branson Sonifier 250 | Branson | |
| Fotometr spektralny | FLUOstar Omega | BMG Labtech | |
| Equipment | |||
| Kolumna chromatografii powinowactwa | Jego kolumna wirowa Pur Ni-NTA | Thermo Scientific | |
| Centricon | Vivaspin turbo 15 | VWR International | |
| Microtiter Płytki | 96 Well Multiply® Płytki do PCR | Sarstedt |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission