I ricercatori dell’Università di Basilea hanno modificato un enzima naturale in modo che catalizzi una reazione chimica altamente complessa. Le molecole complesse per la farmaceutica e la chimica fine potrebbero così essere prodotte in modo più ecologico ed efficiente.
I catalizzatori sono tra gli strumenti più importanti sulla via di una chimica verde più sostenibile. Accelerano le reazioni chimiche, rendendole più efficienti e facili da controllare. Di conseguenza, è possibile risparmiare energia, rifiuti e costi nella produzione di un’ampia gamma di prodotti. La ricerca di nuovi catalizzatori occupa l’industria chimica dal XX secolo.
Un metodo promettente con una fregatura
Recentemente, il cosiddetto trasferimento di atomi di idrogeno da idruri metallici (MHAT) è stato riconosciuto come un metodo catalitico promettente. La reazione MHAT può essere utilizzata per costruire in modo efficiente molecole complesse con funzioni specifiche. Un composto costituito da un metallo e da un atomo di idrogeno - il cosiddetto idruro metallico - trasferisce un atomo di idrogeno a un idrocarburo con almeno un doppio legame. Si crea così un sito particolarmente reattivo, che successivamente forma un legame con un gruppo di atomi. Questo gruppo funzionale determina le proprietà chimiche della molecola.
La reazione MHAT può trasformare un substrato piatto e bidimensionale in una molecola complessa con un’architettura tridimensionale. Tuttavia, è difficile controllare l’esatta disposizione tridimensionale degli atomi nella molecola. Questo perché, sebbene due molecole siano composte dagli stessi atomi, possono comportarsi come un’immagine e un’immagine speculare e non possono essere fatte coincidere. Le due varianti della molecola - note come enantiomeri - possono essere immaginate come la mano sinistra e la mano destra.
Per l’industria farmaceutica o la produzione di prodotti di chimica fine, tuttavia, la creazione di una configurazione specifica è fondamentale. Questo perché le due molecole speculari possono avere proprietà biologiche diverse. Ad esempio, l’immagine speculare di un farmaco può avere un effetto completamente diverso o addirittura tossico.
L’enzima produce la configurazione desiderata
I ricercatori dell’Università di Basilea sono ora riusciti a combinare la chimica MHAT con la catalisi enzimatica per produrre specificamente un enantiomero desiderato. Per lo studio, pubblicato sulla rivista Nature, il team guidato da Thomas R. Ward ha utilizzato il principio del lock-and-key degli enzimi naturali.
Ogni enzima ha un centro attivo, una sorta di tasca in cui solo una o poche molecole specifiche si inseriscono come una chiave in una serratura. Il gruppo di ricerca ha convertito un’emoproteina - un enzima molto diffuso in natura - in modo che la reazione MHAT avvenga nel centro attivo dell’enzima. L’ambiente specifico di questa tasca enzimatica produce l’enantiomero desiderato in 98 casi su 100, poiché la sua immagine speculare non si adatterebbe al centro attivo.
Questa reazione è estremamente difficile da realizzare con gli strumenti chimici convenzionali. Grazie all’enzima, non solo è precisa ma anche efficiente. Gli enzimi hanno sviluppato le loro proprietà catalitiche nel corso di milioni di anni per mantenere la vita con un apporto energetico minimo. Sono interessanti per la chimica anche per il loro rispetto dell’ambiente. finora, tuttavia, non si conosceva alcun enzima in grado di effettuare la reazione MHAT", spiega il primo autore, il dottor Xiang Zhang.
Questa scoperta nel campo della catalisi enzimatica apre la strada a una produzione più ecologica ed efficiente di una varietà di strutture chimiche complesse, ad esempio per l’industria farmaceutica o per la fabbricazione di prodotti naturali. La ricerca pionieristica fa parte del Centro nazionale di competenza per la ricerca "Ingegneria dei sistemi molecolari", di cui Thomas Ward è a capo.
Tuttavia, la specificità dell’enzima è sia una maledizione che una benedizione: se i ricercatori vogliono utilizzare l’enzima su un materiale di partenza diverso, devono prima adattare nuovamente la struttura dell’enzima. Il gruppo di ricerca sta affrontando questa sfida e sta anche cercando un modo più sostenibile per produrre l’idruro metallico necessario per la reazione.
Pubblicazione originale
Xiang Zhang, Dongping Chen, María Élvarez, Thomas R. Ward
Riproporre le emoproteine per il trasferimento asimmetrico di atomi di H catalizzato dai metalli
Nature (2025), doi: 10.1038/s41586-025-09308-0
