Doğal enzimler, her türlü temel biyokimyasal reaksiyonu sağlayan dikkate değer moleküler makinelerdir. Bilim adamları onlarca yıldır endüstriyel ve biyomedikal uygulamalar için bu katalizörlerin yapay versiyonlarını yaratmaya çalıştılar. Ancak, doğanın verimliliğine ve sadeliğini eşleştirmek için mücadele ettiler. Bu da sürdürülebilir kimya için çevre dostu katalizörlerin gelişimini engellemiştir.
Yapay enzimler oluşturmak tipik olarak reaktif grupları üç boyutlu boşlukta tam olarak konumlandıran kofaktörler veya karmaşık yapısal düzenlemeler gerektirir. Bu gereksinimler tasarım esnekliğini kısıtlar, bu da genellikle doğal muadillerine kıyasla düşük performans gösteren enzimlere neden olur. Katalitik gücü feda etmeyen daha basit yaklaşımlar bulmak, biyokataliz alanında zor bir hedef olmaya devam etti.
Bu zemine karşı, Japonya’nın Tokyo Bilim Enstitüsü’nden Profesör Takafumi Ueno liderliğindeki bir araştırma ekibi, protein nanokajları kullanarak enzim tasarımına yeni bir yaklaşım bildirdi. Makaleleri, yayınlandı Angewandte Chemie 24 Nisan 2025’te, bir ferritin protein kafesinin içindeki hassas bir şekilde düzenlenmiş histidin amino asitlerinin, bir reaktan olarak hidrojen peroksit kullanarak oksidasyon reaksiyonlarını yönlendiren bir enzim olan oldukça etkili bir metal içermeyen peroksidaz olarak işlev görebileceğini gösterir.
Araştırmacılar, histidin kalıntıları ve bir dizi hedeflenen mutasyon getirerek ferritin kafesini tasarladılar. Ferritin’in protein kafeslerine kendi kendine bir araya gelme yeteneğinden yararlanarak, kafesin iç yüzeyinde histidin kalıntıları kümeleri oluşturdular. Bu histidin kümeleri, hidrojen peroksit ve 3,3 ‘, 5,5’-tetrametilbenzidin substratı arasındaki reaksiyonları teşvik eden peroksidaz aktivitesini taklit eden katalitik merkezler olarak işlev görür.
“Mühendislik ferritin varyantı, geleneksel oligohistidin montajlarına kıyasla yaklaşık 80 kat daha yüksek reaksiyon verimliliği gösterdi.”
Ekibin yenilikçi yaklaşımı, basit amino asitlerin uygun uzamsal düzenlemesinin, bazı enzimatik reaksiyonlarda metal kofaktörlere olan ihtiyacı ortadan kaldırabileceğini göstermektedir. Bu amino asitlerin ferritin kafesin arayüzlerinde dikkatli bir şekilde konumlandırılması yoluyla, ekip katalitik aktiviteyi önemli ölçüde artıran kapalı bir reaksiyon ortamı üretti.
Moleküler dinamik simülasyonları kullanarak, ferritin kafesinin reaktanları histidin kümelerine yakın bir şekilde nasıl sınırladığını ve katalitik verimliliğin dramatik gelişmesini açıkladığını ortaya çıkardılar.
Prof. Ueno, “Teorik hesaplamalara dayanarak, bu yüksek aktivitenin, reaktanları konsantre eden ve etkileşimlerini kolaylaştıran protein kafesi içindeki bir ‘kapalı çevre etkisi’ ile daha da arttırıldığını doğruladık.” Diyor.
Bu heyecan verici bulgular, sürdürülebilir kimyasal üretim, biyomalzeme gelişimi ve çevresel iyileştirmede uygulamalar bulabilen metal içermeyen katalitik sistemlerde protein kafesleri için yeni olasılıkların kilidini açıyor. Prof. Ueno, “Bu araştırma, yapay enzim tasarımında ve çevre dostu katalizde büyük bir ilerlemeyi temsil ediyor, sürdürülebilir biyokatalizörlerin geliştirilmesine yol açıyor.”
Yakın gelecekte, bu alanda daha fazla çalışma, yüksek performanslı biyoinspred katalizörlere yol açabilir. Araştırmacılar, katalitik kalıntıların mekansal tasarımını iyileştirerek ve kendi kendini birleştiren protein çerçevelerini keşfederek, belirli endüstriyel veya biyomedikal görevler için tasarlanmış daha geniş bir metal içermeyen enzimler geliştirebilirler.
Bu tür ilerlemeler sadece katalitik verimliliği artırmakla kalmaz, aynı zamanda nadir veya toksik metallere olan bağımlılığı azaltır, bu da yeşil kimyayı çeşitli sektörlerdeki gerçek dünya uygulamaları için daha erişilebilir ve pratik hale getirir.
