Учёные разработали новый фотобиокаталитический метод формирования углерод-азотных связей

Химики из Университета штата Юта Йи Рао (слева) и Джесси Браун совместно с исследователями из Университета Джонса Хопкинса и международными коллегами представили новый фотобиокаталитический подход к формированию углерод-азотных связей. Результаты опубликованы 14 августа 2025 года в журнале AAAS «Science». Автор фото: M. Muffoletto, USU

Вся жизнь на Земле зависит от ферментов — природных белков, которые действуют как катализаторы, ускоряя химические реакции и поддерживая биологические процессы.

Формирование углерод-азотных связей — один из таких каталитических процессов, необходимых для круговорота азота в экосистемах и постоянного образования сложных структур, поддерживающих жизнь растений и животных.

Однако часто природе требуется помощь, и синтетические катализаторы, созданные человеком, дополняют глобальный спрос на производство продуктов питания, энергии и фармацевтических препаратов. Ключевая задача — разработка катализаторов, способных формировать необходимые химические связи наиболее энергоэффективным и экологически безопасным способом.

«Медные катализаторы, созданные из доступных компонентов, изучались для этой цели в течение последнего десятилетия, но успешное применение таких катализаторов в ферментах оставалось недостижимым», — говорит химик Йи Рао из Университета штата Юта.

Исследовательская группа Рао совместно с коллегами предложила фотобиокаталитический подход, который исключает необходимость использования ископаемого топлива, применяя медьсодержащий негемовый фермент.

Рао и Джесси Браун из Университета штата Юта вместе с коллегами из Университета Джонса Хопкинса, Технологического университета Чжэцзян (Китай) и Университета Жироны (Испания) подробно описали этот метод в журнале Science.

«Увлекательный аспект исследования — замена железного центра, естественного для этого фермента, на медь», — поясняет ведущий автор работы Шэнь Сючжун.

«Благодаря этой операции на уровне одного атома мы сохраняем универсальность белковой структуры, полностью изменяя её химическую реакционную способность», — добавляет он.

Джиньян Руй отмечает, что этот шаг особенно важен, поскольку негемовые железные ферменты гораздо более разнообразны и поддаются модификации, чем природные медьсодержащие ферменты.

«Наш подход потенциально может преобразовать тысячи негемовых железных ферментов в медьсодержащие биокатализаторы», — говорит она.

Йи Рао, доцент кафедры химии и биохимии Университета штата Юта, подчёркивает, что команда продолжает изучать механизмы химических реакций и их роль в фотокатализе.

«Наша цель — имитировать природу и способствовать разработке новых, основанных на природных принципах фармацевтических препаратов», — говорит Рао.

Более 80% широко используемых лекарств, включая антибиотики, противовирусные средства, статины и антациды, требуют формирования хотя бы одной углерод-азотной связи в процессе производства.

«Разрабатывая более устойчивый и энергоэффективный катализатор для формирования C-N связей, мы способствуем более экономичному и экологичному производству жизненно важных лекарств», — заключает Рао.

Дополнительная информация: Xuzhong Shen et al, Enantioconvergent benzylic C(sp 3 )‒N coupling with a copper-substituted nonheme enzyme, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adt5986

Источник: Utah State University