Functional Characterization of Synthetic Metalloporphyrin-Containing Enzymes

L'attenzione crescente verso i metalloenzimi è giustificata dalla loro capacità di eseguire trasformazioni chimiche complesse. Questi enzimi mostrano un potenziale catalitico eccezionale, derivante dalla loro abilità di formare intermedi altamente reattivi. La disponibilità di ioni metallici in diversi stati di ossidazione è cruciale per la catalisi. La miniaturizzazione degli enzimi contenenti eme ha portato a sistemi bioispirati, che mirano a replicare il profilo catalitico degli enzimi naturali, migliorando al contempo la loro stabilità chimica. Tra i modelli di proteine eme, i conjugati metalloporfirina-peptide, noti come “Mimochromes”, si sono affermati come una classe importante di enzimi artificiali. La loro struttura, composta da un nucleo porfirinico legato covalentemente a catene peptidiche, è progettata per assomigliare al sito attivo delle perossidasi naturali. La caratterizzazione di questi composti ha ampliato la comprensione delle relazioni struttura-funzione nei proteine eme.

Il progetto di dottorato ha portato allo sviluppo di un nuovo enzima eme artificiale, il Mimochrome VIa (MC6a). Sono stati condotti studi sulla progettazione, sintesi e caratterizzazione di MC6a contenente Fe III. La sostituzione di specifici residui aminoacidici è stata effettuata per valutare l'attività della molecola come biomimetico della perossidasi. Inoltre, è stata analizzata la reattività di MC6a contenente un ione Co III, noto come Co-MC6a. Questi studi, condotti in collaborazione con il Prof. K. L. Bren, mirano a esplorare il potenziale di MC6a nella reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER), proponendo Co-MC6a come alternativa agli idrogenasi naturali, la cui applicazione è limitata dalla sensibilità all'ossigeno molecolare. La ricerca ha dimostrato che MC6a può rappresentare un'opzione promettente per la catalisi in reazioni di scissione dell'acqua.

I risultati hanno mostrato che Fe III -MC6a agisce come un catalizzatore simile alla perossidasi, con un numero di turnover significativamente più alto rispetto ai membri precedenti della famiglia Mimochrome. La presenza di residui Aib ha aumentato la rigidità conformazionale della catena peptidica, migliorando l'organizzazione della molecola. Co-MC6a, d'altra parte, ha dimostrato di funzionare come un catalizzatore solubile in acqua per la HER, attivo a pH neutro e in presenza di ossigeno molecolare. Rispetto ad altri enzimi sintetici basati su Co-porfirina, Co-MC6a ha mostrato numeri di turnover molto più elevati, mantenendo l'attività anche dopo diverse ore. L'analisi comparativa ha rivelato una correlazione tra il valore di sovratensione nella HER e il ripiegamento dell'enzima, suggerendo che la conformazione influisce sulle prestazioni catalitiche.

I risultati ottenuti rappresentano un significativo avanzamento nella comprensione degli enzimi metalloenzimatici artificiali basati su peptidi. Questi studi hanno contribuito a identificare il candidato più avanzato con potenziale catalitico all'interno della famiglia Mimochrome. Le future ricerche si concentreranno sull'analisi approfondita dei requisiti strutturali per l'attività enzimatica, con l'obiettivo di sviluppare nuovi catalizzatori che superino le prestazioni degli enzimi metalloenzimatici naturali. Inoltre, la possibilità di modificare facilmente i cofattori metallici e le loro sfere di coordinazione aprirà nuove opportunità per ampliare il repertorio di reazioni e le applicazioni potenziali di questi enzimi.