Oksijenle Çalışan ve Atık Olarak Yalnızca Su Üreten Daha Temiz Kimyasal Reaksiyonlar Oluşturmak

Oksijen, birçok hayati kimyasal tepkime için itici güç sağlar. İyi bilinen iki örnek; canlıların enerjisini açığa çıkarmak için besinleri parçalamasını sağlayan süreç olan solunum ve ısı ile ışık üreten tepkimeler olan yanmadır. Ancak oksijenin, organik maddelerle gerçekleşen tepkimeleri yavaşlatma eğiliminde olan alışılmadık bir elektronik konfigürasyonu vardır; bu nedenle tepkimelerin başlaması için çoğu zaman yardıma ihtiyaç duyulur. Doğada, enzim adı verilen özelleşmiş proteinler, önce elektronlarını yeniden düzenleyerek oksijeni gerektiğinde aktive edebilir.

Şimdi Penn State araştırmacılarının öncülük ettiği bir ekip, bu enzimlerden birinin sentetik taklidini geliştirdi. Bu taklit, enzim benzeri bir tepkimeyi yürütüyor. Doğadaki benzeri gibi bu tepkime de atık olarak yalnızca su üretiyor. Araştırma, sürdürülebilir endüstriyel kimyasal sentezde ve farmasötik ilaç geliştirmede kullanılabilir.

Sentetik enzimi tanımlayan bir makale, Journal of the American Chemical Society dergisinde yayımlandı.

Penn State Eberly Fen Bilimleri Fakültesi’nde kimya yardımcı doçenti ve araştırma ekibinin lideri Jonathan Kuo, “Oksijen harika bir moleküldür; fotosentez yoluyla üretilir ve bu nedenle esasen kimyasal biçimde depolanmış güneş enerjisidir,” dedi.

“Bir kamp ateşi yakabilmenizin nedeni bu enerjidir. Oksijen organik maddelerle tepkimeye girdiğinde, kontrolden çıkabilen bir tepkimeye dönüşebilir; buna yanma diyoruz. Neyse ki oksijen molekülü — oksijen atomlarının birbirine bağlanmış bir çifti olan dioksijen — alışılmadık bir elektronik konfigürasyona sahiptir ve bu da ateşi başlatmayı zorlaştırır. Böylece, organik olan her şeyin kendiliğinden yanmasından endişe etmeden soluyabileceğimiz bol miktarda oksijene sahip oluruz.”

Kuo ve ekibinin geliştirdiği taklit, dioksijenden bir oksijen atomunu aromatik halka adı verilen organik bir kimyasal yapı taşına yerleştiriyor. Aromatik halkalar genellikle kararlı ve değiştirilmesi zor yapılardır. Araştırmacılar, bu enzimlerin tam olarak nasıl çalıştığını çözümlemeye yardımcı olması için taklidi tasarladı. Nihai hedefleri, zararlı yan ürünler üretmeden istenen tepkimeleri teşvik eden, daha sürdürülebilir bir kimyasal altyapı geliştirmek.

Kuo, “Bu enzimin yürüttüğü tepkime yalnızca oksijene ihtiyaç duyuyor ve atık olarak yalnızca su üretiyor,” dedi. “Bu nedenle araştırma, çevre açısından temiz kimyanın geliştirilmesi için de bir temel oluşturmaya yardımcı olabilir.”

Araştırmacılar enzimin aktif bölgesini — tepkimenin gerçekleştiği enzim kısmını — inceledi ve sentetik bir taklit içinde hangi yapısal özelliklerin yeniden oluşturulması gerekebileceğine karar verdi.

Kuo, “Enzim, katekol adı verilen bir bileşiği hedefliyor,” dedi. “Katekol, petrolden elde edilen temel bir aromatik bileşik olan benzenden üretilebilir; her ikisi de kimyasalların endüstriyel üretiminde kullanılır. Benzenin ve katekolün altı karbonlu halkaları kararlı olma eğilimindedir. Bu nedenle, bu maddelerden ürettiğimiz kimyasalların çoğu da bu altı üyeli halkayı içerir. Bu durum, plastiklerin, polimerlerin ve sentetik elyafların üretiminde kullanabileceğimiz kimyasalların çeşitliliğini sınırlar.”

Araştırmacılar laboratuvar deneylerinde, sentetik enzim taklidinin doğal olarak bulunan ve ekstradiol dioksijenaz olarak bilinen enzimin işlevini yerine getirebildiğini gösterdi. Bu taklit, katekolün altı karbonlu halkasını genişletiyor ve bir oksijen atomu ekleyerek yedi atomlu bir halka oluşturuyor. Yedi atomlu halka daha az kararlı olduğundan, olası sentetik değişikliklerin kapsamı genişliyor. Araştırmacılar, bu çalışmanın yeni ve çeşitli kimyasal bileşiklerin temelini oluşturabileceğini açıkladı. Kuo, “İşlevsel bir enzim taklidine sahip olmak önemli, çünkü hangi kimyasal adımların gerektiğine ilişkin hipotezleri test edebiliyoruz,” dedi. “Örneğin taklidimizde doğal olmayan bir metal iyonu kullandık. Enzimler normalde demir, kobalt veya manganez kullanır; ancak biz iridyum kullandık. Dolayısıyla tepkime, doğada bulunan metal iyonlarına özgü olmak zorunda değil. “İridyum, altın gibi asil bir metaldir; bu da oksijenle istenmeyen tepkimelere direnç gösterdiği anlamına gelir. Oksijenle olan bu düşük reaktivite, enzim taklitlerinin oluşturulmasını kolaylaştırır. Örneğin demir bazlı taklitler havayla beklenmedik biçimde tepkimeye girebilir — pası düşünün! İridyum kullanmak, sentetik taklitlerin daha uzun süre dayanmasını veya daha hızlı oluşturulmasını sağlayabilir.”

Enzim taklidinin gerçekleştirdiği her tepkime, bir oksijen molekülü tüketiyor ve atık olarak bir su molekülü üretiyor. Araştırma ekibi, atom bakımından verimli olan bu tepkimenin sürdürülebilir ve çevre dostu enzimlerin tasarlanmasına olanak sağlayabileceğini belirtti; çünkü bu enzimler esasen hiç atık üretmiyor.

Kuo, “Tarih boyunca kimyagerler çoğunlukla ‘İstediğimiz kimyasalları elde etmek için tepkimeleri gerçekleştirebilir miyiz?’ sorusuna odaklandı ve bu sorunun yanıtı neredeyse her zaman ‘evet’tir,” dedi.

“Bu sorunun modern biçimi ise istediğimizi elde ederken geride hiçbir şey bırakıp bırakamayacağımızı soruyor. Yepyeni bir yol haritasına ihtiyacımız var. Doğa, sürdürülebilir bir kimyasal altyapı için bilinen tek planı sunuyor. Doğanın bunu tam olarak nasıl başardığını anlamaya yönelik temel araştırmalar yapmak — bu projenin amacı da budur — sonunda kimyasalları ve diğer malzemeleri doğanın döngüselliğiyle rekabet edebilecek bir biçimde üretmemizi sağlayabilir.”

Kuo’nun yanı sıra Penn State’teki araştırma ekibinde, makalenin ilk yazarı ve kimya yüksek lisans öğrencisi Alexander G. Arnette ile kimya doçenti Alexey Silakov da yer aldı.