Deracemisierung von sek-Alkoholen durch Bio-Stereoinversion

Aus zwei mach eins, das heißt aus der 50:50 Mischung (Racemat) eines chiralen sec-Alkohols wird durch Stereoinversion ein einziges Isomer in 100% Ausbeute und 100% optischer Reinheit erhalten. Es ist bekannt, dass solche Umsetzungen mit ganzen mikrobiellen Zellen in der Natur möglich sind. Jedoch ist nicht bekannt, wie dieser Prozeß funktioniert.Dieses Projekt soll diesen Prozess für zuvor optimierte Deracemisierungen nach 2 Unterschiedelichen Methoden (1 Topf - 2 Stufen; 1 Topf - 1 Stufe) aufklären. Die dabei involvierten Enzyme sollen identifiziert und charakterisiert werden. Aufklärung der möglichen involvierten Enzyme, sowie die Bestimmung der Aktivität dieser und deren Stereoselektivität soll eine Computersimulation ermöglichen. Biokatalytische Deracemisierungsprozesse haben in Hinblick auf Ökonomie und Ökologie bedeutende Vorteile: (i) Die Atom-Effizienz ist nahe 100%, das heisst keine zusätzlichen Chemikalien werden benötigt, sodass auch der Abfall signifikant reduziert wird.(ii) Da der Prozess, der sonst in mehreren Stufen abläuft im Eintopf-Verfahren geführt wird, werden weniger organische Lösungsmittel benötigt, was wiederum die Umwelt schont. Der Biokatalysator wächst `von selbst` und ist nach dem Ausscheiden aus dem Prozess und Pasteurisieren harmloser Biomüll! (iii) Da im Idealfall nur Wasser (Puffer) und der Biokatalysator benötigt werden, stellt diese Methode sicher eine der `grünsten` Synthesemethoden dar.

Wir zeigten, dass zwei gegensätzliche Reaktionsbedingungen in "einem Topf" zeitgleich kombiniert werden können. Die Reaktionsbedingungen sind so gegensätzlich zu einander wie Feuer und Wasser (Oxidation und Reduktion). Durch die Wahl geeigneter Biokatalysatoren und geeigneter Reaktionsbedingungen konnte das System genutzt werden um bildlich gesprochen ein Paar Handschuhe (ein linker und ein rechter Handschuh) in zwei rechte Handschuhe bzw. zwei linke Handschuhe umzusetzen. In der Chemie spielen solche Umsetzungen eine große Rolle um (optisch) reine Verbindungen herstellen zu können. Für diese Umsetzung wurden als Reagenzien neben den Biokatalysatoren nur molekularer Sauerstoff und Glukose oder Ameisensäure benötigt. In einem weiteren System beobachteten wir, dass wir sogar noch auf die Reagenzien (Sauerstoff, Glukose) verzichten können. Ähnlich wie der Pharao in Ägypten von der Spitze der (sozialen) Pyramide das Volk leitet oder wie ein Puppenspieler die Marionette kontrolliert, so kontrolliert in unserem System ein einzelner Biokatalysator zwei untergeordnete Biokatalysatoren. Die untergeordneten Biokatalysatoren können Bild und Spiegelbild einer chemischen Verbindung ineinander überführen (vergleiche wie oben: Überführung von linkem Handschuh in rechtem und umgekehrt). Der "kommandierende" Biokatalysator steuert die beiden anderen Biokatalysatoren über vier chemische "Botenstoffe" wie der Pharao das Volk über Beamte kontrolliert oder der Puppenspieler die Marionette über die Fäden. Der übergeordnete Biokatalysator bestimmt ob das Bild oder das Spiegelbild im Überschuss produziert wird. Ohne "Pharao" werden die beiden im Verhältnis 1:1 gebildet.