Volume 94 Issue 47 | p. 7
Issue Date: November 28, 2016 | Web Date: November 24, 2016

Una nueva ruta hacia la formación de enlaces carbón-silicio de la mano de una proteína

El citocromo c bacteriano, primer ejemplo de química de organosilicio catalizada biológicamente
Department: Science & Technology
Keywords: biocatalysis, biochemistry, biological chemistry, biotechnology, synthesis, directed evolution, saturated mutagenesis, cytochrome c, organosilicon
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El grupo hemo (azul) del citocromo c en el R. marinus cataliza la inserción de carbenoides en los enlaces Si-H.
Credit: Science
Image of the heme active site of R. marinus cytochrome c.
 
El grupo hemo (azul) del citocromo c en el R. marinus cataliza la inserción de carbenoides en los enlaces Si-H.
Credit: Science

El segundo elemento mas abundante en la corteza terrestre después del oxigeno es el silicio, pero a pesar de ello los enlaces carbono-silicio son desconocidos en la naturaleza: nunca se han identificado ni compuestos biológicos de organosilicio ni rutas biológicas para sintetizarlos. Sin embargo, con los materiales adecuados, algunas hemoproteínas son capaces de formar enlaces carbono-silicio estereoespecíficamente, según han publicado científicos de Caltech (Science 2016, DOI: 10.1126/science.aah6219).

 

“La hemo química del hierro en la naturaleza aprovecha esta oportunidad porque estamos poniendo a su disposición los precursores adecuados,” comenta el experto Frances H. Arnold, que dirige junto a S. B. S. B. Jennifer Kan este trabajo. “Se trata de una maravillosa demostración de la facilidad con la que la naturaleza es capaz de innovar.”

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Tres mutaciones en el citocromo c del R. marinus convierten a la proteína en una enzima capaz de producir compuestos de organosilicio con un exceso enantiomérico superior al 99%.
Credit: Science
Reaction scheme for heme-catalyzed carbenoid insertion into C-Si bonds.
 
Tres mutaciones en el citocromo c del R. marinus convierten a la proteína en una enzima capaz de producir compuestos de organosilicio con un exceso enantiomérico superior al 99%.
Credit: Science

“Con esto se cierra la gran brecha entre la catálisis química y la biológica”, escribe Martin Oestreich de la Universidad Técnica de Berlín en un comentario incluido en el artículo. “El impacto que esto puede tener es impredecible, pero parece que hemos dado un gran paso para facilitar potencialmente reacciones relevantes en la industria, como la hidrosililación de alquenos con biomoléculas.”

Durante décadas, los químicos han tratado de obtener experimentalmente compuestos quirales de organosilicio mediante inserción de carbenoides en enlaces Si-H, pero estas reacciones necesitan generalmente de disolventes halogenados y catalizadores que contienen metales preciosos coordinados a ligandos quirales. Los catalizadores tienen baja reciclabilidad –cada complejo catalítico solo es capaz de sobrevivir en torno a cien ciclos de reacción antes de quedar inactivado.

En trabajos anteriores llevados a cabo en el grupo de Arnold, así como en otros laboratorios, ha quedado demostrado que las hemoproteínas pueden catalizar la reacción de transferencia de carbenos mediante inserción en enlaces N-H y S-H. En estos novedosos experimentos, los investigadores han buscado entre una amplia selección de proteínas aquellas que podrían catalizar la inserción de etil-2-diazopropanoato en el enlace Si-H del dimetillfenil silano. El citocromo C de la bacteria Rhodothermus marinus, que puede encontrarse en manantiales termales subacuáticos en Islandia, cataliza la reacción con un exceso enantiomérico del 97%, aunque el numero de recambio es todavía relativamente bajo.

Por norma general, las proteínas citocromo C no catalizan reacciones químicas, sino que transfieren electrones entre biomoléculas en el interior de las células. Aunque esto no ha impedido a Kan, Arnold y sus colaboradores explotar esta nueva habilidad del citocromo C del R. marinus con la esperanza de mejorar la catálisis de compuestos de organosilicio.

Los investigadores han llevado a cabo la evolución dirigida para obtener un trio de mutaciones que, conjuntamente, aumentan la enantioselectividad de la enzima en mas de un 99% y un numero de recambio superior a 1500. Una de las mutaciones incluye un residuo de metionina que dota al átomo central de hierro de la proteína con un ligando axial. Un cambio de metionina a acido aspártico probablemente facilito el acceso del sustrato para formar el intermedio hierro-carbenoide.

El citocromo c “mejorado” realiza la inserción estereoselectiva de carbenos en enlaces Si-H por medio de diversos reactivos de silicio y grupos diazo, sin que se produzca ciclopropanación. Y en presencia de 4-(dimetilsilil)anilina, donde puede producirse la inserción tanto en el enlace N-H como en el Si-H, la enzima forma el producto de organosilicio en una reacción selectiva al 97%. Arnold opina que el sitio activo parcialmente expuesto promueve esta “promiscuidad” sobre el sustrato, pero el bolsillo hemo también posee ciertas características que prefieren la química del silicio.

Traducción al español producida por FIrene Maluenda Borderas de Divulgame.org para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.

 
Chemical & Engineering News
ISSN 0009-2347
Copyright © American Chemical Society

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