Biotransformation von ß-Aminonitrilen zu ß-Aminosäuren

Beta-Aminosäuren sind, obwohl in geringerem Ausmaß in der Natur vorhanden als ihre alpha-Analogen, Schlüsselbestandteile von vielen pharmakologisch hochwirksamen Naturstoffen (Peptide, Depsipeptide und beta- Lactam-Antibiotika u. a.). Vielfach entfalten sie auch in freier Form (per se) starke pharmakologische Wirksamkeit und sind deshalb Ziel zahlreicher Untersuchungen in der medizinischen Chemie und anderen verwandten Fachgebieten. Die organisch chemische Synthese von Carbonsäuren und Carbonsäureamiden aus den entsprechenden Nitrilen erfordert die Anwendung stark saurer oder basischer Reaktionsbedingungen. Dieselbe Reaktion kann aber auch von nitrilhydrolysierenden Enzymen oder Mikroorganismen unter wesentlich milderen Reaktionsbedingungen und in wässriger Phase durchgeführt werden, wobei im Vergleich zur chemischen Synthese weniger Nebenprodukte anfallen. Ein weiterer entscheidender Vorteil enzymkatalysierter Reaktionen ist die Stereoselektivität, mit der sie erfolgen. Die Darstellung von beta-Aminosäuren/amiden aus den entsprechenden Nitrilen mittels enzymhydrolysierender Enzyme ist neu. Die Entwicklung von geeigneten Reaktionsbedingungen anhand einer Auswahl von Substraten sowie von den erforderlichen analytischen Methoden zur Bestimmung der Enantiomerenreinheit der Produkte mittels chiraler Chromatographie soll zum besseren Verständnis der Stereoselektivität der einzelnen enzymatischen Transformationsschritte des komplexen Enzymsystems der nitrilhydrolysierenden Enzyme beitragen. Ziel weiterer Arbeiten ist die Anwendung dieses biokatalytischen Reaktionsschrittes auf die Synthese von Cispentacin, ein fungizid wirkendes Antibiotikum sowie auf die Herstellung von zentralen Ausgangsverbindungen zur Synthese der therapeutisch bedeutenden beta-Lactam-Antibiotika der Carbapenem-Klasse.

Die Transformation von organischen Nitrilen in Carbonsäuren und Amide ist eine wichtige chemische Reaktion und ist in vielen Fällen auch die beste Methode zur Herstellung dieser Carbonsäurederivate. Sie erfordert starke saure oder basische Katalyse und führt daher zu Zersetzungsreaktionen sowie geringer Produktausbeute, insbesonders wenn das entsprechende Nitril auch andere funktionelle Gruppen enthält. Produktgemische aus Säure und Amid infolge geringer Selektivität sind häufig. Die chemische Hydrolyse kann also nur auf strukturell einfache (wenig funktionalisierte) Nitrile angewandt werden. Die Verwendung von Biokatalysatoren (Enzymen) und deren milde Reaktionsbedingungen - diese werden i. a. in wässrigem Medium bei neutralem pH-Wert und Raumtemperatur angewandt - stellt daher eine ausgezeichnete Alternative zur Transformation funktionalisierter Nitrile mit hoher Produktselektivität dar. Das Ziel des Projektes bestand in der Anwendung Nitril-transformierender Enzyme - Nitrilasen und Nitrilhydratasen/Amidasen (die letzteren in Form von Ganzzellen) - zur Synthese von beta-Aminosäuren und beta- Aminoamiden aus den entsprechenden Nitrilen in kombinierten chemischen und enzymatischen (mikrobiellen) Schritten. Cis- und trans-diastereoisomere carbocyclische Aminonitrile wurden in racemischer Form synthetisiert und enantioselectiven Biotransformationen mittels verschiedener Rhodococcus-Stämme unterworfen. Dabei konnten hoch selektive Umsetzungen hinsichtlich der Art des Produktes (Säure oder Amid) und auch bezüglich der Enantiomerenreinheit der Produkte in Abhängigkeit von Ringgröße und relativer Konfiguration der 1,2-Substituenten erzielt werden. Carbocyclische beta-Aminosäuren sind als Bestandteile von Naturstoffen, Peptidmimetica und als monomere Einheiten von beta-Peptiden - Moleküle mit außergewöhnlichen Faltungseigenschaften - von Bedeutung. Die entsprechenden beta-Aminoamide sind neue Verbindungen und wurden bisher nicht in der Literartur beschrieben.