Enzymen heb je in allerlei soorten en maten en je kunt dus een grote verscheidenheid aan chemie met ze doen, ook voor talrijke synthetische toepassingen. Toch zijn er grenzen. Reacties gebaseerd op het element boor vallen bijvoorbeeld buiten bereik. Althans, tot nu toe.

‘Boor is een beetje een vergeten kindje. Het biedt unieke chemische mogelijkheden en het komt op aarde best veel voor, maar het zit veelal opgesloten in mineralen en gesteenten en is dus niet zo toegankelijk. Geen enkel natuurlijk enzym bevat boor’, vertelt onderzoeksleider Gerard Roelfes, hoogleraar biomoleculaire chemie & katalyse aan de Rijksuniversiteit Groningen. ‘Boorchemie en -katalyse maken reactiemechanismes mogelijk die je niet terugvindt in de natuur.’ Om die mogelijkheden op een nieuwe manier te benutten heeft de groep van Roelfes nu een designerenzym gemaakt waarin ze genetisch een boorzuur hebben gecodeerd.

Boorenzymen

Zo’n ‘boorenzym’ kan op een duurzamere wijze boorchemie doen, aldus Roelfes. ‘Vanwege de mildere reactiecondities, zoals water als oplosmiddel en lagere reactietemperaturen, is biokatalyse met enzymen veel groener dan de klassieke organische chemie.’ Maar groene chemie is niet de enige reden waarom boorenzymen interessant zijn. ‘Enzymen zijn fantastische katalysatoren. De katalytische site zorgt voor meer controle, snellere reacties en grote stereoselectiviteit. De conventionele boorkatalyse kent bijna geen voorbeelden van stereoselectiviteit, dus met ons enzym kun je ook echt iets nieuws.’

Hoewel het inbouwen van het boorzuur relatief eenvoudig was – ‘dat soort dingen doen we al jaren’ – lag de grootste uitdaging in het vinden van een geschikte reactie. ‘Er zijn veel boorreacties mogelijk, maar de katalytische site heeft natuurlijk maar beperkte ruimte’, legt Roelfes uit. Zo moet de reactie ook kunnen werken in water bij een lage temperatuur en geen interacties aangaan met andere functionele groepen op het enzym zelf. ‘Daarnaast moet je ook de juiste positie in het eiwit vinden. We worden er steeds handiger in, maar elk nieuw designerenzym is weer een avontuur.’

Directed evolution

De onderzoekers voegden in het designerenzym uit de Nature-paper het niet-canonieke aminozuur para-boronofenylalanine in. Die boorzuurgroep katalyseert de stereoselectieve condensatiereactie van α-hydroxyketonen met hydroxylamine tot een oxime. Roelfes: ‘De reactie gaat met een zogeheten kinetische resolutie, wat betekent dat je begint met een racemisch mengsel van je substraat, waarvan vervolgens één enantiomer selectief wordt omgezet.’ De onderzoekers bevestigden met onder andere MS en ¹¹B-NMR – ‘een sterk staaltje van postdoc Lars Longwitz’ – dat het inderdaad gaat om een boorzuurreactiemechanisme, wat je verder nergens in de natuur tegenkomt. Vervolgens hebben eerste auteurs Longwitz en Reuben Leveson-Gower het boorenzym met directed evolution geoptimaliseerd, waardoor het nu zeer selectief is.

De mogelijkheden die enzymen bieden om organische syntheses uit te voeren blijft Roelfes verbazen. ‘Ik ben opgeleid als klassiek organisch chemicus en heb toen geleerd dat je water alleen gebruikt voor extractie. Maar als je de juiste parameters weet te vinden, zie je hoeveel chemie je kunt doen onder zulke milde omstandigheden. Chemie waarvan je niet verwacht dat het in water kan. Denk dus niet te snel in absolute waarheden, vaak blijken er toch manieren te zijn om het anders te doen.’

Grote stap

Dit eerste boorenzym biedt vooral een proof-of-principle, maar het is een belangrijke eerste stap. ‘Zo kom je erachter waar het enzym toe in staat is, wat je moet doen om het actief te krijgen en hoe je dat dan uiteindelijk kunt vertalen naar andere belangrijke reacties’, zegt Roelfes. ‘Er zijn voor de farmaceutische industrie bijvoorbeeld nog complete reactieklassen die je niet met enzymen kunt uitvoeren, zoals nucleofiele aromatische substitutie of crosskoppelingen.’

Als het met boor kan, zijn er natuurlijk nog veel meer mogelijkheden. Roelfes: ‘Vergeleken met de bipyridines en anilines waar we ooit mee begonnen, is het invoegen van boor in een enzym echt een grote stap weg van de natuur. Dus als je dan naar het periodiek systeem kijkt, zijn er nog heel wat elementen waar ik naar wil kijken. We zijn ermee aan het spelen, maar ik wil wel dat je er uiteindelijk nuttige chemie mee kunt doen, het moet geen trucje worden. Als je nieuwe reacties weet te vinden die je alleen maar met dit soort designerenzymen kunt doen, dán kun je interessante toepassingen verzinnen.’

Longwitz, L., Leveson-Gower, R.B. et al. (2024) Nature, DOI: 10.1038/s41586-024-07391-3