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 हल्के या जैविक परिस्थितियों में कार्य करते हैं, जो अवांछित साइड-रिएक्शन जैसे कि अपघटन, आइसोमराइज़ेशन,  नस्लीकरण  और  पुनर्व्यवस्था प्रतिक्रिया  की समस्याओं को कम करता है, जो प्रायः पारंपरिक कार्यप्रणाली को प्रभावित करता है।

-कीमोएंजाइमेटिक 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  साइट-निर्देशित उत्परिवर्तन  और निर्देशित विकास, गैर-प्राकृतिक प्रतिक्रियाशीलता को सक्षम करने के लिए एंजाइमों को संशोधित किया जा सकता है। संशोधन व्यापक कार्यद्रव्य रेंज के लिए भी अनुमति दे सकते हैं, प्रतिक्रिया दर या उत्प्रेरक कारोबार में वृद्धि कर सकते हैं।

-एंजाइम अपने सब 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 करती हैं, जीवित रहती हैं। नतीजतन, जैव-उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं साफ-सुथरी होती हैं और साइड-रिएक्शन के माध्यम से निकलने वाली अशुद्धियों से उत्पाद (उत्पादों) की श्रमसाध्य शुद्धि को काफी हद तक छोड़ा जा सकता है।
 * Regioselectivity और  diastereoselectivity : 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।
 * Enantioselectivity : चूंकि लगभग सभी एंजाइम एल- एमिनो एसिड से बने होते हैं, एंजाइम  चिरायता (रसायन विज्ञान)  उत्प्रेरक होते हैं। नतीजतन, कार्यद्रव्य अणु में सम्मिलित किसी भी प्रकार की चिरलिटी को एंजाइम-कार्यद्रव्य सम्मिश्रण के  निर्माण पर पहचाना जाता है। इस प्रकार एक  प्रोचिरालाइट्स  कार्यद्रव्य को वैकल्पिक रूप से सक्रिय उत्पाद में बदला जा सकता है और एक रेसमिक कार्यद्रव्य के दोनों एनैन्टीओमर अलग-अलग दरों पर प्रतिक्रिया कर सकते हैं।

ये कारण, और विशेष रूप से बाद वाले, प्रमुख कारण हैं कि क्यों संश्लेषित केमिस्ट जैव-उत्प्रेरक में रुचि रखते हैं। बदले में यह रुचि मुख्य रूप से फार्मास्युटिकल दवाओं और कृषि रसायनों ्स के लिए चिरल बिल्डिंग ब्लॉक्स के रूप में एनेंटिओप्योर यौगिकों को संश्लेषित करने की आवश्यकता के कारण है।

असममित जैव उत्प्रेरण
Enantiopure 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 काइनेटिक रिज़ॉल्यूशन
 * 2) जैव उत्प्रेरित असममित संश्लेषण

एक रेसमिक मिश्रण के गतिज संकल्प  में, एक चिरल वस्तु (एंजाइम) की उपस्थिति अभिकारक के स्टीरियोइसोमर्स में से एक को अन्य अभिकारक स्टीरियोइसोमर की तुलना में अधिक प्रतिक्रिया दर पर अपने उत्पाद में परिवर्तित करती है। स्टीरियोकेमिकल 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 एसिड के रेसमिक मिश्रणों के शुद्धिकरण में जैव-उत्प्रेरक काइनेटिक रिज़ॉल्यूशन का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। कई लोकप्रिय अमीनो एसिड संश्लेषण मार्ग, जैसे कि स्ट्रेचर अमीनो एसिड संश्लेषण, के परिणामस्वरूप आर और एस एनैन्टीओमर 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 एनैन्टीओमर को चुनिंदा रूप से डीसाइलेट करके शुद्ध किया जा सकता है। ये एंजाइम आम तौर पर एक एनैन्टीओमर 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  क्रोमैटोग्राफी  जैसी शास्त्रीय तकनीकों द्वारा अलग किया जा सकता है। ऐसे गतिज संकल्पों में अधिकतम उपज 50% है, क्योंकि 50% से अधिक की उपज का अर्थ है कि कुछ गलत आइसोमर ने भी प्रतिक्रिया व्यक्त की है, जिससे कम एनैन्टीओमेरिक अतिरिक्त 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 दौड़ 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 मात्रा में अलग-अलग संभावित स्टीरियोइसोमर्स बनते हैं। एंजाइम के प्रभाव से चिरलिटी को कार्यद्रव्य में पेश किया जाता है, जो कि चिरल है। यीस्ट,  कीटोन ्स 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 जोड़ 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 वन-पॉट संश्लेषण में व्युत्पन्न किया जा सकता है। एक-पॉट प्रक्रिया जिसमें  एस्परजिलस नाइजर  से पृथक एक मोनोमाइन ऑक्सीडेज सम्मिलित होता है जो ऑक्सीकरण करने में सक्षम होता है केवल  अमाइन  एस-एनैन्टीओमर से  मैं मेरा  2 और इसमें एक  अमोनिया -बोरेन  अपचायक कारक  युगल 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 जमा हो जाता है।  स्टीरियोइनवर्जन  शुद्ध एस से शुद्ध आर तक भी संभव है।

फोटोरेडॉक्स सक्षम जैव-उत्प्रेरक
हाल ही में, फोटोरेडॉक्स कटैलिसीस  को जैव-उत्प्रेरक पर लागू किया गया है, जो अद्वितीय, पहले से दुर्गम परिवर्तनों को सक्षम करता है। फोटोरेडॉक्स रसायन विज्ञान  रेडिकल (रसायन विज्ञान)  मध्यवर्ती उत्पन्न करने के लिए प्रकाश पर निर्भर करता है। ये रेडिकल इंटरमीडिएट 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 भीतर इस चिरल वातावरण को प्रदान कर सकते हैं और एक विशेष संरचना को स्थिर कर सकते हैं और एक, एनेंटिओप्योर उत्पाद के निर्माण का पक्ष ले सकते हैं। फोटोरेडॉक्स सक्षम जैव-उत्प्रेरककैटलिसिस प्रतिक्रियाएं दो श्रेणियों में आती हैं:


 * 1) आंतरिक कोएंजाइम / कॉफ़ेक्टर (जैव रसायन) फोटोकैटलिस्ट
 * 2) बाहरी फोटोकैटलिस्ट

कुछ सामान्य हाइड्रोजन परमाणु स्थानांतरण  (हाइड्रोजन परमाणु स्थानांतरण) सहकारक ( निकोटिनमाइड एडेनिन डाइन्यूक्लियोटाइड फॉस्फेट  और  फ्लेविन समूह )  एकल इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण  (एकल इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण) अभिकर्मकों के रूप में काम कर सकते हैं।  यद्यपि ये प्रजातियां बिना विकिरण के HAT में सक्षम हैं, उनकी रेडॉक्स क्षमता दृश्य प्रकाश विकिरण पर लगभग 2.0 V तक बढ़ जाती है। जब उनके संबंधित एंजाइमों (सामान्यतः  रिडक्टेस  | एनी-रिडक्टेस) के साथ जोड़ा जाता है, तो इस घटना का उपयोग केमिस्टों 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 रिडक्टिव, बाल्डविन के नियमों के माध्यम से संश्लेषित किया जा सकता है, एनएडीपीएच से एनैटियोसेलेक्टिव एचएटी द्वारा समाप्त  कट्टरपंथी चक्रवात । फोटोरेडॉक्स सक्षम जैव-उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं की दूसरी श्रेणी एक बाहरी फोटोकैटलिस्ट (पीसी) का उपयोग करती है। रेडॉक्स क्षमता की एक बड़ी रेंज वाले कई प्रकार के पीसी का उपयोग किया जा सकता है, जिससे कॉफ़ेक्टर का उपयोग करने की तुलना में प्रतिक्रियाशील की अधिक ट्यूनेबिलिटी की अनुमति मिलती है। गुलाब बंगाल, और बाहरी पीसी, का उपयोग ऑक्सीओरडक्टेस के साथ मिलकर मध्यम आकार के अल्फा-एसाइल-केटोन्स को एनेंटियोसेलेक्टीली डेसीलेट करने के लिए किया गया था। बाहरी पीसी का उपयोग करने में कुछ कमियां हैं। उदाहरण के लिए, बाहरी पीसी सामान्यतः प्रतिक्रिया डिजाइन को जटिल बनाते हैं क्योंकि पीसी बाध्य और अनबाउंड कार्यद्रव्य दोनों के साथ प्रतिक्रिया कर सकता है। यदि अनबाउंड कार्यद्रव्य और पीसी के बीच एक प्रतिक्रिया होती है, तो एंटीओसेक्लेक्टिविटी खो जाती है और अन्य पक्ष 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