Struktur-basiertes Design einer Nitroaldolase

In steigendem Maße werden Enzyme als Katalysatoren in der organischen Synthesechemie und in industriellen Prozessen eingesetzt. Dabei profitiert man von den Vorteilen der Biokatalyse wie der hohen Selektivität der Enzyme und den milderen Reaktionsbedingungen in meist wässrigen Reaktionsmedien, was auch ökologischen Nutzen durch einen geringeren Energieverbrauch und das Vermeiden von gefährlichen Abfällen einbringt. Die Entwicklung biokatalytischen Methoden ist in den letzten Jahren sehr weit gediehen. Trotzdem umfasst das Gesamtrepertoire der dem (organischen) Chemiker für Synthesen zur Verfügung stehenden Reaktionstypen zahlreiche Umsetzungen, die bisher noch nicht in dieser Form in lebenden Systemen beobachtet wurden, und für die daher noch keine geeigneten Enzymkatalysatoren identifiziert wurden. Unter diesen Umsetzungen nehmen Reaktionen zur C-C Bindungsknüpfungen eine besonders wichtige Stellung ein. Ein solches Beispiel ist die so genannte Henry Reaktion von Nitroalkanen mit Carbonylverbindungen zu ß-Nitroalkoholen. Dabei können bis zu zwei neue Asymmetriezentren gleichzeitig generiert werden und Folgereaktionen der entstehenden Nitroalkohole ermöglichen den leichten Zugang zu einer großen Gruppe von Produkten. Vor kurzem entdeckten wir, dass die Hydroxynitrillyase aus dem Kautschukbaum (Hevea brasiliensis, HbHNL) Nitroaldolase-Aktivität besitzt und die stereospezifische Addition von Nitroalkanen an Aldehyde katalysiert. In vivo katalysieren Hydroxynitrillyasen die Freisetzung von Blausäure (HCN) durch den Abbau von Cyanhydrinen, während die Katalyse der Rückreaktion - die Addition von HCN an Carbonylverbindungen- bereits industrielle Anwendung zur Synthese von enantiomerenreinen Cyanhydrinen gefunden hat. Es ist klar, dass HbHNL von der Evolution nicht für die Katalyse von Nitroaldolreaktionen optimiert wurde. Dementsprechend sind die beobachteten Nitroaldolase-Aktivitäten sehr gering und es muss im Vergleich zu Cyanhydrinsynthesen etwa die hundertfache Menge an Katalysator zugegeben werden. Besonders dieser enorme Enzymbedarf verbietet den Einsatz in industriellen Anwendungen. HbHNL wurde in unseren Arbeitsgruppen eingehend hinsichtlich der Struktur, des katalytischen Mechanismus und biokatalytischer Umsetzungen untersucht. Aufbauend auf dieser eigenen Grundlagenforschung zielt das vorliegende Projekt darauf ab, Varianten dieses Enzyms zu generieren, die stark verbesserte Eigenschaften für die Katalyse der nicht natürlichen Henry Reaktionen aufweisen. Mittels eines strukturbasierten Ansatzes sollen eine begrenzte Anzahl von sorgfältig ausgewählten Mutationen in der Nähe des aktiven Zentrums der HbHNL eingeführt werden. Dieser Ansatz ist in hohem Maße interdisziplinär und umfasst sowohl struktur- und molekularbiologische Arbeiten, als auch Computermodellierungsstudien und organisch chemische Umsetzungen. Das zentrale Ziel des Projektes ist es, die Eigenschaften der HbHNL für die Katalyse von Henry Reaktionen so weit zu verbessern, dass zukünftige rein anwendungsorientierte Forschungen darauf aufbauend das Enzym für die spezifischen Anforderungen eines industriellen Prozesses weiter entwickeln können.