बायोकैटलिसिस

जैव-उत्प्रेरक रासायनिक प्रतिक्रियाओं को गति (उत्प्रेरण) करने के लिए क्रियाशील (जैविक) प्रणालियों या उनके भागों के उपयोग को संदर्भित करता है। जैव उत्प्रेरक प्रक्रियाओं में, प्राकृतिक उत्प्रेरक, जैसे एंजाइम, कार्बनिक यौगिको पर रासायनिक परिवर्तन करते हैं। दोनों एंजाइम जो अधिक या कम पृथक किए गए हैं और जीवित कोशिका के अंदर रहने वाले एंजाइमो को इस कार्य के लिए नियोजित किया जाता हैं।  आधुनिक जैव प्रौद्योगिकी, विशेष रूप से विकास को निर्देशित करके, संशोधित या गैर-प्राकृतिक एंजाइमों का उत्पादन संभव बना दिया गया है। इसने एंजाइमों के विकास को योग्य बना दिया गया है जो नवीन छोटे अणु परिवर्तनों को उत्प्रेरित कर सकता हैं, उत्कृष्ट संश्लेषित कार्बनिक रसायन का उपयोग करना मुश्किल या असंभव हो सकता है।  कार्बनिक संश्लेषण  करने के लिए प्राकृतिक या संशोधित एंजाइमों का उपयोग करना केमोएन्ज़ाइमी संश्लेषण कहा जाता है; एंजाइम द्वारा की जाने वाली प्रतिक्रियाओं को केमोएंजाइमी प्रतिक्रियाओं के रूप में वर्गीकृत किया जाता है।

इतिहास
जैव-उत्प्रेरक मनुष्यों के लिए ज्ञात सबसे पुराने रासायनिक परिवर्तनों मे से कुछ को रेखांकित करता है, क्योंकि शराब बनाने का इतिहास लिपिबद्ध किया गया है। शराब बनाने का सबसे पुराना रिकॉर्ड लगभग 6000 साल पुराना है और  सुमेरियो को संदर्भित करता है।

सदियों से कई उद्योगों के लिए एंजाइम और संपूर्ण कोशिकाओं का नियोजन महत्वपूर्ण रहा है। सबसे स्पष्ट रूप से उपयोग खाद्य और पेय व्यवसायों में किया गया है जहां शराब, बीयर, पनीर आदि का उत्पादन सूक्ष्मजीवों के प्रभाव पर निर्भर है।

सौ साल से भी पहले, जैव-उत्प्रेरण को गैर-प्राकृतिक मानव निर्मित कार्बनिक यौगिकों पर रासायनिक परिवर्तन करने के लिए नियोजित किया गया था, पिछले 30 वर्षों में विशेष रूप से दवा उद्योग के लिए, सूक्ष्म रसायनो का उत्पादन करने के लिए जैव-उत्प्रेरण के अनुप्रयोग में पर्याप्त वृद्धि देखी गई है।

चूंकि जैव-उत्प्रेरक एंजाइमों और सूक्ष्मजीवों से संबंधित है, इसलिए इसे ऐतिहासिक रूप से  सजातीय उत्प्रेरण  और  विषम उत्प्रेरण  से अलग वर्गीकृत किया गया है। हालांकि, यंत्रवत् रूप से, जैव-उत्प्रेरण केवल विषम उत्प्रेरण की एक विशेष स्थिति है।

केमोएंजाइमी संश्लेषण के लाभ
-एंजाइम पर्यावरणीय रूप से सौम्य होते हैं, जो पर्यावरण में पूरी तरह से अवक्रमित होते हैं।

-अधिकांश एंजाइम सामान्यतः मृदु या जैविक परिस्थितियों में कार्य करते हैं, जो अवांछित पार्श्व-प्रतिक्रियाओ की समस्याओ को कम करता है, जैसे कि अपघटन, समावयवीकरण, नस्लीकरण और पुनर्व्यवस्था जो प्रायः पारंपरिक कार्यप्रणाली को प्रभावित करता है।

-कीमोएंजाइमी संश्लेषण के लिए चुने गए एंजाइमों को एक ठोस समर्थन पर स्थिर किया जा सकता है। ये स्थिर एंजाइम बेहतर स्थिरता और पुन: प्रयोज्य प्रदर्शित करते हैं।

प्रोटीन इंजीनियरिंग के विकास के माध्यम से, विशेष रूप से कार्यस्थल-निर्देशित उत्परिवर्तन और निर्देशित विकास, गैर-प्राकृतिक प्रतिक्रियाशीलता को प्राप्त करने के लिए एंजाइमों को संशोधित किया जा सकता है। संशोधन व्यापक कार्यद्रव्य सीमा के लिए भी अनुमति दे सकते हैं, प्रतिक्रिया दर या उत्प्रेरक कारोबार में वृद्धि कर सकते हैं।

-एंजाइम अपने कार्यद्रव्य के प्रति अत्यधिक चयनात्मकता प्रदर्शित करते हैं। सामान्यतः एंजाइम तीन प्रमुख प्रकार की चयनात्मकता प्रदर्शित करते हैं:


 * रासायनिकता: चूंकि एक एंजाइम का उद्देश्य एक प्रकार के कार्यात्मक समूह  पर कार्य करना है, अन्य संवेदनशील कार्यात्मकताएं, जो सामान्य रूप से रासायनिक उत्प्रेरण के तहत एक निश्चित सीमा तक प्रतिक्रिया करते और अस्तित्व मे रहते हैं। इसके परिणामस्वरूप, जैव-उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं स्वच्छक होती हैं और पार्श्व-प्रतिक्रियाओ के माध्यम से निकलने वाली अशुद्धियों से उत्पाद (s) की श्रमसाध्य शुद्धिकरण को मुख्य रूप से त्याग दिया जा सकता है।
 * प्रतिगामी चयनात्मकता और अप्रतिबिंबी त्रिविम चयनात्मकता : उनकी जटिल त्रि-आयामी संरचना के कारण, एंजाइम कार्यात्मक समूहों के बीच अंतर कर सकते हैं जो रासायनिक रूप से कार्यद्रव्य अणु के विभिन्न क्षेत्रों में स्थित होते हैं।
 * ऊर्जावान चयनात्मकता : चूंकि लगभग सभी एंजाइम एल- एमिनो अम्ल से बने होते हैं, एंजाइम चिरायता  उत्प्रेरक होते हैं। फलस्वरूप, कार्यद्रव्य अणु में सम्मिलित किसी भी प्रकार की चिरयता को एंजाइम-कार्यद्रव्य सम्मिश्रण के निर्माण के रूप मे  स्वीकृत किया जाता है। इस प्रकार एक  प्रोचिराल कार्यद्रव्य को वैकल्पिक रूप से सक्रिय उत्पाद में बदला जा सकता है और एक रेसमिक कार्यद्रव्य के दोनों प्रतिबिंब अलग-अलग दरों पर प्रतिक्रिया कर सकते हैं।

ये कारण, और विशेष रूप से बाद वाले, प्रमुख कारण हैं कि क्यों संश्लेषित रसायन जैव-उत्प्रेरक में रुचि रखते हैं। बदले में यह रुचि मुख्य रूप से दवाओं और कृषि रसायनों के लिए चिरल मूलरूप अंग के रूप में एनेन्टिओप्युर यौगिकों को संश्लेषित करने की आवश्यकता के कारण है।

असममित जैव उत्प्रेरण
एनेन्टिओप्युर यौगिकों को प्राप्त करने के लिए जैव-उत्प्रेरक के उपयोग को दो अलग-अलग तरीकों में विभाजित किया जा सकता है:
 * 1) रेसमिक मिश्रण का गतिक संकल्प
 * 2) जैव उत्प्रेरित असममित संश्लेषण

एक रेसमिक मिश्रण के गतिक संकल्प में, एक चिरल वस्तु (एंजाइम) की उपस्थिति अभिकारक की त्रिविमसमावयवी में से एक को अन्य अभिकारक त्रिविमसमावयवी की तुलना में अधिक प्रतिक्रिया दर पर अपने उत्पाद में परिवर्तित करती है। त्रिविमरसायन मिश्रण को अब दो अलग-अलग यौगिकों के मिश्रण में बदल दिया गया है, जिससे उन्हें सामान्य पद्धति से अलग किया जा सकता है। संश्लेषित अमीनो अम्ल के रेसमिक मिश्रणों के शुद्धिकरण में जैव-उत्प्रेरक गतिक संकल्प का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। कई लोकप्रिय अमीनो अम्ल संश्लेषण क्रम, जैसे कि स्ट्रेकर अमीनो अम्ल संश्लेषण, के परिणामस्वरूप आर और एस प्रतिबिंब रूपी समावयव का मिश्रण होता है। इस मिश्रण को (I) एनहाइड्राइड का उपयोग करके अमीन को एसिलेट करके और फिर (II) हॉग किडनी एसिलेज का उपयोग करके केवल एल प्रतिबिंब रूपी समावयव को चयन करके विएसीलन मे शुद्ध किया जा सकता है। ये एंजाइम सामान्यतः एक प्रतिबिंब रूपी समावयव के लिए अत्यंत चयनात्मक होते हैं, जिससे दर में बहुत बड़ा अंतर होता है, जिससे चयनात्मक विचलन की अनुमति मिलती है। अंत में दो उत्पादों को अब वर्णलेखन जैसी उत्कृष्ट तकनीकों द्वारा अलग किया जा सकता है। ऐसे गतिज संकल्प में अधिकतम उपज 50% है, क्योंकि 50% से अधिक की उपज का अर्थ है कि कुछ अनुचित समावयव ने भी प्रतिक्रिया व्यक्त की है, जिससे कम एनैन्टीओमेरिक अधिक मिलता है। इसलिए इस तरह की प्रतिक्रियाओं को संतुलन तक पहुंचने से पहले समाप्त कर दिया जाना चाहिए। यदि ऐसे संकल्पों को उन परिस्थितियों में निष्पादित करना संभव है जहां दो कार्यद्रव्य -एनेंटिओमर लगातार रेसीमिक कर रहे हैं, तो सभी कार्यद्रव्य को सिद्धांत रूप में एनेंटिओप्योर उत्पाद में परिवर्तित किया जा सकता है। इसे गतिशील संकल्प कहा जाता है।

जैव उत्प्रेरित असममित संश्लेषण में, एक गैर-चिरल इकाई इस तरह से चिरल बन जाती है कि अलग-अलग संभावित त्रिविमप्रतिबिंब बनते हैं। एंजाइम के प्रभाव से चिरलता को कार्यद्रव्य में पेश किया जाता है, जो कि चिरल है। खमीर, कीटोन के एनेंटियोसेलेक्टिव जैविक कमी के लिए एक जैव-उत्प्रेरक है। बायर-विलीगर ऑक्सीकरण एक जैव उत्प्रेरक प्रतिक्रिया का एक और उदाहरण है। एक अध्ययन में कैंडिडा (कवक)  के एक विशेष रूप से डिजाइन किए गए उत्परिवर्ती को अतिरिक्त विलायक की अनुपस्थिति में 20 डिग्री सेल्सियस पर  एसिटाइलसिटोन के साथ  एक्रोलिन के माइकल जोड़ने के लिए एक प्रभावी उत्प्रेरक के रूप में पाया गया था। एक अन्य अध्ययन से पता चलता है कि कैसे रेसमिक निकोटीन  ('योजना 3' में एस और आर-एनेंटिओमर्स 1 का मिश्रण) को संश्लेषण में व्युत्पन्न किया जा सकता है। एक-भेदन प्रक्रिया जिसमें  एस्परजिलस नाइजर  से पृथक एक मोनोमाइन ऑक्सीडेज सम्मिलित होता है जो ऑक्सीकरण करने में योग्य होता है केवल अमाइन एस-एनैन्टीओमर से एमाइन 2 और इसमें एक अमोनिया -बोरेन  अपचायक कारक युग्म सम्मिलित है जो एमाइन 2 को वापस एमाइन 1 में कम कर सकता है। इस तरह एस-एनैन्टीओमर लगातार एंजाइम द्वारा भस्म हो जाएगा जबकि आर-एनैन्टीओमर संचित हो जाता है। त्रिविमप्रतिवर्त शुद्ध एस से शुद्ध आर तक भी संभव है।

प्रकाश-अवकरण योग्य जैव-उत्प्रेरक
हाल ही में, प्रकाश अवकरण उत्प्रेरक को जैव-उत्प्रेरक पर लागू किया गया है, जो पहले से दुर्गम परिवर्तनों को अद्वितीय रूप से योग्य बनाता है। प्रकाश अवकरण मुक्त  रसायन कण मध्यवर्ती उत्पन्न करने के लिए प्रकाश पर निर्भर करता है। ये कण मध्यवर्ती अचिरल हैं इसलिए उत्पाद के रेसमिक मिश्रण तब प्राप्त होते हैं जब कोई बाहरी चिरल वातावरण प्रदान नहीं किया जाता है। एंजाइम  सक्रिय साइट  के अंदर इस चिरल वातावरण को प्रदान कर सकते हैं और एक विशेष संरचना को स्थिर कर सकते हैं और एक, एनेंटिओप्योर उत्पाद के निर्माण का प्रोत्साहन कर सकते हैं। प्रकाश अवकरण योग्य जैव-उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं दो श्रेणियों में आती हैं:


 * 1) आंतरिक कोएंजाइम / सहायक कारक प्रकाश-उत्प्रेरक
 * 2) बाहरी प्रकाश-उत्प्रेरक

कुछ सामान्य हाइड्रोजन परमाणु स्थानांतरण  (HAT) सहकारक ( निकोटिनमाइड एडेनिन डाइन्यूक्लियोटाइड फॉस्फेट और फ्लेविन समूह ) एकल इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण  अभिकर्मकों के रूप मे काम कर सकते है।  यद्यपि ये वर्ग बिना विकिरण के हाइड्रोजन परमाणु स्थानांतरण के लिए योग्य हैं, लेकिन दृश्यमान प्रकाश विकिरण पर उनकी अवकरण क्षमता लगभग 2.0 V तक बढ़ जाती है। जब उनसे संबंधित एंजाइम (सामान्यतः एने-रेडक्ट्स) के साथ जोड़ा जाता है, तो इस घटना का उपयोग रसायनज्ञ द्वारा एनेंटियोसेलेक्टिव कमी के तरीकों को विकसित करने के लिए किया गया है। उदाहरण के लिए, मध्यम आकार के  लेक्टम  को एनई-रिडक्टेस के चिरल वातावरण में नकारात्मक, बाल्डविन के नियमों के माध्यम से संश्लेषित किया जा सकता है, निकोटिनमाइड एडेनिन डाइन्यूक्लियोटाइड फॉस्फेट से एनैटियोसेलेक्टिव हाइड्रोजन परमाणु स्थानांतरण द्वारा समाप्त किया जाता है।

प्रकाश अवकरण योग्य जैव-उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं की दूसरी श्रेणी एक बाहरी प्रकाश-उत्प्रेरक (पीसी) का उपयोग करती है। अवकरण क्षमता की एक बड़ी सीमा वाले कई प्रकार के प्रकाश-उत्प्रेरक का उपयोग किया जा सकता है, जिससे सहायक कारक का उपयोग करने की तुलना में प्रतिक्रियाशील की अधिक अनुकूलता की स्वीकृति मिलती है। गुलाब बंगाल, और बाह्य प्रकाश-उत्प्रेरक, का उपयोग ऑक्सीओरडक्टेस के साथ मिलकर मध्यम आकार के अल्फा-एसाइल-केटोन को सक्रिय रूप से एनेंटियोसेलेक्टीली डेसीलेट करने के लिए किया गया था।

बाह्य प्रकाश-उत्प्रेरक का उपयोग करने के कुछ नकारात्मक पहलू हैं। उदाहरण के लिए, बाह्य प्रकाश-उत्प्रेरक सामान्यतः प्रतिक्रिया डिजाइन को जटिल बनाते हैं क्योंकि प्रकाश-उत्प्रेरक बाध्य और अनाबद्ध कार्यद्रव्य दोनों के साथ प्रतिक्रिया कर सकता है। यदि अनाबद्ध कार्यद्रव्य और प्रकाश-उत्प्रेरक के बीच एक प्रतिक्रिया होती है, तो एंटीओसेक्लेक्टिविटी खो जाती है और अन्य पार्श्व प्रतिक्रियाएं हो सकती हैं।

अग्रिम पठन

 * Kim, Jinhyun; Lee, Sahng Ha; Tieves, Florian; Paul, Caroline E.; Hollmann, Frank; Park, Chan Beum (5 July 2019). "Nicotinamide adenine dinucleotide as a photocatalyst". Science Advances. 5 (7): eaax0501. doi:10.1126/sciadv.aax0501.
 * Kim, Jinhyun; Lee, Sahng Ha; Tieves, Florian; Paul, Caroline E.; Hollmann, Frank; Park, Chan Beum (5 July 2019). "Nicotinamide adenine dinucleotide as a photocatalyst". Science Advances. 5 (7): eaax0501. doi:10.1126/sciadv.aax0501.

यह भी देखें

 * एंजाइमों की सूची
 * औद्योगिक एंजाइम *

बाहरी संबंध

 * [[Austrian Centre of Industrial Biotechnology] - acib]
 * The Centre of Excellence for Biocatalysis - CoEBio3
 * The University of Exeter - Biocatalysis Centre
 * Center for Biocatalysis and Bioprocessing - The University of Iowa
 * TU Delft - Biocatalysis & Organic Chemistry (BOC)
 * KTH Stockholm - Biocatalysis Research Group
 * Institute of Technical Biocatalysis at the Hamburg University of Technology (TUHH)
 * Biocascades Project