Stereo- Komplementäre sec- Alkylsulfatasen

Die enzymatische Hydrolyse von sekundären Alkylsulfatestern durch Sulfatasen kann - je nach Art des eingesetzten Enzyms und des Enzymmechanismus - entweder durch Spaltung der C-O oder der S-O Bindung erfolgen, wobei entweder Inversion oder Retention des stereochemischen Zentrums resultiert. Diese Stereo- Komplementarität macht sie zu idealen Katalysatoren zur Deracemisierung von sec-Alkoholen, wobei ein racemisches Startmaterial ohne Auftreten von `unerwünschten` Stereoisomeren quantitativ in ein einziges (stereoisomerenreines) Produkt umgesetzt werden kann. Ausgehend von unseren ersten erfolgreichen Beobachtungen dieser Stereo-Komplementarität in der Biohydrolyse von sec-Sulfatestern (`proof of principle`) wird das Potential von mikrobiellen Sulfatasen für die präparative organische Chemie untersucht. Dirigiert durch Genomanalysen werden Substratspektrum, Stereopräferenz und Stereochemie folgender Sulfatasen erforscht: (1) Invertierende Sulfatasen aus Bakterien (besonders Actinomyceten) und Schwefel-metabolisierenden extremophilen Archaea. (2) Retendierende Sulfatasen aus marinen Planctomyceten und Basidiomyceten. Die biochemische Charakterisierung ausgewählter Sulfatasen liefert wertvolle Beiträge zur Aufklärung des (bislang noch vollkommen unbekannten) Mechanismus von invertierenden Sulfatasen. Stereochemisch komplementäre Sulfatasen (Inversion versus Retention) werden zur Entwicklung von Deracemisierungs-Techniken für sekundäre Alkohole eingesetzt: während ein Enantiomer aus einem Racemat mit Inversion der Konfiguration hydrolysiert wird, wird das verbleibende Spiegelbild-Isomer mit Retention umgesetzt, wodurch ein stereoisomerenreines Produkt in quantitativer Ausbeute entsteht. Die Anwendbarkeit dieser Technik wird an ausgewählten sec-Alkoholen im präparativen Massstab demonstriert. Insgesamt liefert dieses Projekt wichtige Beiträge zur Aufklärung der Enzymologie von Sulfatasen und der Entwicklung von umweltgerechten (`grünen`) Verfahren für die Organische Synthesechemie.

In diesem Projekt konnten wir das erste Protein aus der bislang spärlich untersuchten Gruppe der Alkylsulfatasen untersuchen. Diese Enzyme katalysieren die hydrolytische Spaltung von von Alkylsulfat-Estern, die im täglichen Leben als Detergentien und Inhaltsstoffe von Reinigungsmitteln eingesetzt werden. Alkylsulfatasen sind durch ihren katalytischen Mechanismus besonders bemerkenswert, da sie die dreidimensionale Struktur (die `Absolutkonfiguration`) ihres Substrates während der Hydrolyse entweder beibehalten können (`Retention`) oder spiegeln können (`Inversion`), was man durch das Unklappen eines Regenschirmen im Wind vergleichen kann. Dieses einzigartige Verhalten steht im Gegensatz zu dem der Arylsulfatasen, die ihre Substratstruktur immer beibehalten. Das Protein wurde in einem Pseudomonas Bakterium entdeckt und konnte durch mehrstufige Proteinreinigung gereinigt werden. Nach der Analyse der Aminosäure- und Genomsequenz konnte das Protein in Escherichia coli kloniert werden, was die Produktion von hinreichenden Proteinmengen ermöglichte. Der katalytische Mechanismus der Sulfatase `PISA1` (Pseudomonas inverting sec-alkylsulfatase 1) wurde eingehend studiert und es konnte durch Verwendung von Wasser, das ein `schweres` ( 18O) Sauerstoffatom trägt untersucht werden. Die Massenanalyse des gebildeten Produktes zeigte, dass der Sauerstoff wirklich in das Kohlenstoffgerüst (und nicht in das Sulfat) eingebaut wurde, womit bewiesen war, dass die räumliche Anordnung des Substrates während des Katalysevorganges ungeklappt (`invertiert`) wurde. Es ist bemerkenswert, dass diese enzymkatalysierte reaktion mit traditionellen (chemischen) Katalysatoren nicht durchgeführt werden kann. PISA1 kann zur Herstellung eines einzelnen Stereoisomers eines Alkohols aus einer Mischung von spiegelbildlichen Sulfatester-Isomeren eingesetzt werden, ohne dass es zur Bildung eines ungewünschten Isomeren kommt.