Группа ученых из Нанкинского университета под руководством профессора Хуан Сяоцяна совершила прорыв в области асимметричного электроферментативного катализа. Они создали новую систему окисления, которая работает как часы: объединили фермент, зависимый от тиаминдифосфата (ThDP), с анодным окислением, где переносчиком электронов стал ферроценметанол.

Асимметричный электроферментативный катализ — это когда электрический ток и генетически модифицированный фермент вместе проводят реакцию, создавая только одну из двух зеркальных форм молекулы (как левая и правая перчатка).

Исследования поддержали измерения электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в Институте физики твердого тела Китайской академии наук. Работа вышла в журнале Nature.

Электрохимия сегодня — один из самых перспективных методов в синтетической химии. Она экологична и открывает уникальные пути активации реакций. Но если природные ферменты уже научились перенастраивать, то заставить их работать под током было сложно: мешали несовместимость систем и слабый перенос электронов.

Команда Хуан Сяоцяна нашла выход. Они взяли ферроценметанол как «электронного курьера», доработали активный центр фермента и запустили двухстадийное окисление с переносом одного электрона. Циклическая вольтамперометрия и низкотемпературный ЭПР подтвердили: система работает — радикальные промежуточные продукты четко видны на спектрах.

С этим инструментом ученые окислили α-разветвленные альдегиды и синтезировали (S)-профены — ключевые компоненты противовоспалительных препаратов — с чистотой до 99%. Фермента нужно всего 0.05%, а катализатор можно использовать прямо в клетках.

Оказалось, что модифицированный фермент выполняет сразу несколько задач: распознает субстрат, ускоряет рацемизацию и синхронизирует перенос электронов. Это делает систему невероятно эффективной и избирательной.

Теперь у химиков появился мощный инструмент для «зеленого» синтеза сложных молекул — быстрого, точного и без лишних отходов.

Главный плюс этой работы — практичность.

• Фармацевтика: (S)-профены — основа ибупрофена, напроксена и кетопрофена. Сейчас их получают через многостадийный синтез с токсичными катализаторами. Новая система сокращает процесс, дает почти 100% чистоту и позволяет использовать микробные клетки как «фабрики».
• Биокатализ: Метод открывает путь к другим «неприродным» реакциям под током — например, восстановлению нитросоединений или окислению спиртов без тяжелых металлов.
• Экология: Электрохимия + ферменты = меньше отходов, никаких пероксидов или хроматов.

Пока система работает только с α-разветвленными альдегидами. Линейные субстраты или кетоны могут потребовать новых модификаций фермента. Кроме того, ферроценметанол — стабильный, но дорогой медиатор. Для промышленности придется искать более дешевые аналоги.

Ранее ученые впервые сняли катализ на атомном уровне.