Oksijenle çalışan ve atık olarak yalnızca su üreten daha temiz kimyasal reaksiyonlar yaratmak

Oksijen birçok hayati kimyasal reaksiyonun itici gücünü sağlar. İyi bilinen iki örnek arasında, canlıların besinleri parçalayıp enerjisini açığa çıkarmasını sağlayan süreç olan solunum ve ısı ve ışık üreten reaksiyonlar olan yanma yer alır. Ancak oksijenin, organik maddelerle reaksiyonlarını yavaşlatma eğiliminde olan alışılmadık bir elektronik konfigürasyonu vardır, bu nedenle reaksiyonların başlaması için genellikle yardıma ihtiyaç vardır. Doğada, enzim adı verilen özel proteinler, önce elektronlarını yeniden düzenleyerek oksijeni talep üzerine aktive edebilir.

Şimdi, Penn State araştırmacıları tarafından yönetilen bir ekip, bu enzimlerden birinin, enzim benzeri bir reaksiyonu harekete geçiren sentetik bir taklidini geliştirdi. Bu reaksiyon doğadaki benzeri gibi atık olarak sadece su üretir. Araştırma, sürdürülebilir endüstriyel kimyasal sentez ve farmasötik ilaç geliştirmede kullanılabilir.

Sentetik enzimi açıklayan bir makale yayınlandı. Amerikan Kimya Derneği Dergisi.

Penn State Eberly Bilim Koleji’nde kimya profesörü ve araştırma ekibinin lideri Jonathan Kuo, “Oksijen harika bir molekül; fotosentez yoluyla üretiliyor, bu da onu esas olarak güneş enerjisinin kimyasal formda depolanmasını sağlıyor” dedi.

“Kamp ateşi yakabilmenizin nedeni bu enerjidir. Oksijen organik maddeyle reaksiyona girdiğinde, bu kontrolden çıkmış bir reaksiyona dönüşebilir; biz buna yanma diyoruz. Şans eseri, dioksijen olarak adlandırılan bağlı bir oksijen atomu çifti olarak oluşan oksijen molekülü, yangının başlatılmasını zorlaştıran alışılmadık bir elektronik konfigürasyona sahiptir. Dolayısıyla, organik olan her şeyin kendiliğinden yanması konusunda endişelenmeden nefes alacak bol miktarda oksijene sahibiz.”

Hassas bir oksijen reaksiyonunun yeniden yaratılması

Kuo ve ekibi tarafından oluşturulan taklit, dioksijenden gelen bir oksijen atomunu, aromatik halka olarak bilinen organik kimyasal bir yapı bloğuna (genellikle stabil ve değiştirilmesi zor yapılar) yerleştiriyor. Araştırmacılar bu enzimlerin tam olarak nasıl çalıştığını çözmeye yardımcı olmak için taklitçiyi yaptılar. Nihai hedefleri, zararlı yan ürünler üretmeden istenen reaksiyonları teşvik ederek daha sürdürülebilir bir kimyasal altyapı geliştirmektir.

Kuo, “Bu enzim tarafından yürütülen reaksiyon yalnızca oksijen gerektirir ve atık olarak yalnızca su üretir” dedi. “Bu nedenle araştırma, çevresel açıdan temiz kimyanın geliştirilmesi için temel oluşturmaya da yardımcı olabilir.”

Araştırmacılar enzimin aktif bölgesini (enzimde reaksiyonun gerçekleştiği yer) incelediler ve sentetik bir taklitte hangi yapısal özelliklerin kopyalanması gerekebileceğine karar verdiler.

Kuo, “Enzim, katekol adı verilen bir bileşiği hedef alıyor” dedi. “Katekol, petrolden türetilen temel bir aromatik bileşik olan benzenden yapılabilir; her ikisi de kimyasalların endüstriyel üretiminde kullanılır. Benzen ve katekolün altı karbonlu halkaları stabil olma eğilimindedir, dolayısıyla her iki malzemeden yaptığımız kimyasalların çoğu da bu altı üyeli halkayı içerir. Bu, plastik, polimer ve sentetik elyaf üretimi için üretebileceğimiz kimyasalları sınırlar.”

İridyum tasarımı neden değiştirdi?

Laboratuvar deneylerinde araştırmacılar, sentetik enzim taklidinin, ekstradiol dioksijenaz olarak bilinen doğal olarak oluşan enzimin işlevini yerine getirebildiğini gösterdi. Katekolün altı karbonlu halkasını genişletir ve bir oksijen atomu ekleyerek yedi atomlu bir halka oluşturur. Yedi atomlu halka daha az kararlıdır ve olası sentetik manipülasyonları genişletir. Araştırmacılar, bu çalışmanın yeni ve çeşitli kimyasal bileşiklerin temeli olabileceğini açıkladı.

Kuo, “İşlevsel bir enzim taklitine sahip olmak önemlidir, çünkü tam olarak hangi kimyasal adımların gerekli olduğuna dair hipotezleri test edebiliriz” dedi. “Örneğin, taklitçimiz için doğal olmayan bir metal iyonu kullandık. Enzimler normalde demir, kobalt veya manganez kullanıyor, ancak biz iridyum kullandık. Dolayısıyla reaksiyonun mutlaka doğada bulunan metal iyonlarına özgü olması gerekmiyor.

“İridyum, altın gibi asil bir metaldir; bu, oksijenle istenmeyen reaksiyonlara karşı dirençli olduğu anlamına gelir. Bu azaltılmış oksijen reaktivitesi, enzim taklitleri oluşturmayı kolaylaştırır. Örneğin demir bazlı taklitler, havayla beklenmedik bir şekilde reaksiyona girebilir; pası düşünün! İridyumun kullanılması, sentetik taklitlerin daha uzun süre dayanmasına veya daha hızlı oluşturulmasına olanak sağlayabilir.”

Senteze giden daha temiz bir yol

Enzim taklidinin her reaksiyonu bir molekül oksijene mal olur ve atık olarak bir molekül su üretir. Araştırma ekibi, atom açısından verimli olan bu reaksiyonun, esasen atık üretmediği için sürdürülebilir ve çevre dostu enzimlerin tasarlanmasına olanak sağlayabileceğini söyledi.

Kuo, “Tarihin büyük bölümünde kimyagerler ‘istediğimiz kimyasalları elde etmek için reaksiyonlar gerçekleştirebilir miyiz’ sorusuna odaklandılar ve yanıt neredeyse her zaman ‘evet’ oldu” dedi.

“Sorunun modern versiyonu, istediğimizi elde edip hiçbir şeyi geride bırakamayacağımızı soruyor. Tamamen yeni bir taktik kitabına ihtiyacımız var. Doğa, sürdürülebilir bir kimyasal altyapı için bilinen tek planı sağlıyor. Doğanın bunu nasıl başardığını tam olarak anlamak için temel araştırmayı yapmak – ki bu projenin amacı da budur – en sonunda kimyasalları ve diğer malzemeleri doğanın döngüselliğine rakip olacak şekilde üretmemize olanak sağlayabilir.”

Penn State’teki araştırma ekibinde Kuo’ya ek olarak, kimya alanında yüksek lisans öğrencisi olan ilk yazar Alexander G. Arnette ve kimya doçenti Alexey Silakov da vardı.