设计师酶可以克服亚硫酸盐还原这是环境清理的瓶颈

2019-06-14 15:32:23
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研究人员用一种新设计的合成酶清除了某些污染物的环境清理障碍,这种合成酶将复合亚硫酸盐还原为硫化物 - 这是一个众所周知的复杂的多步化学反应,化学家多年来一直未能实现。

伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的化学家在“ 科学 ”杂志上描述了他们的酶含有两种不同的含铁中心,这些中心通过一种酶连接在一起。

亚硫酸盐还原,常见的氧化还原 - 或氧化还原反应 - 可能会干扰大量环境污染物的清除,包括硝酸盐,砷酸盐和高氯酸盐。这些污染物作为火箭燃料,弹药和肥料生产的副产品进入环境。亚硫酸盐也是天然存在的,并且会干扰更多有毒化合物的消除,化学家也无法制造催化剂去除亚硫酸盐,因为它需要使用难以设计和合成的复杂活性位点进行多步反应。

“许多生化反应需要一系列酶一起进行多步反应,但亚硫酸盐还原只使用一种叫做亚硫酸还原酶的酶来完成所有的工作,”伊利诺伊州化学教授易路说。“大自然创造了一种非常复杂的酶结构来处理这种化学反应,研究人员直到现在才能复制它。”

化学研究生Evan Mirts表示,过去曾尝试建造合成亚硫酸盐还原酶的研究小组专注于制造看起来像天然酶活性位点的结构模型。在这项研究中,研究小组使用酶作为支架来锚定铁和硫原子簇,其行为类似于微小的分子电池,传递推动氧化还原反应所需的电子。

“我相信我们是成功的,因为我们专注于合成酶的功能,而不是重建最简单的结构,”Mirts说。“我们考虑了通常被认为是次要的相互作用,或者对整体氧化还原反应不太重要。事实证明,这些相互作用非常重要。”

“当我们在设计的酶中考虑到所谓的较弱相互作用时,我们突然看到氧化还原反应活性与天然存在的亚硫酸盐还原酶非常相似,”Lu说,他也是美国食品部联合任命的联合任命。能源太平洋西北国家实验室。

该团队设想他们新开发的酶能够激发新一代催化剂,帮助清理环境中的有毒废物,并帮助提高石油产品的质量。

“除了实际应用之外,我认为我们的工作已经推进了人工酶设计的前沿,从而破解了氧化还原反应的复杂性,并设计了具有很高活性的多因素催化剂,”Lu说。“随着该系统的成功演示,我们现在可以开始设计许多其他多因子酶,这些酶可以执行我们之前只能梦想的更复杂,更困难的反应。”

美国国立卫生研究院和美国能源部通过先进生物能源和生物产品创新中心支持这项研究。

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