Enzymkatalysierte Asymmetrische Hydratisierung von C=C Bindungen

Die asymmetrische Addition von Wasser an C=C Bindungen stellt eine synthetisch sehr interessante Reaktion dar. Der entstehende Mehrwert beruht auf der Einführung eines neuen Chiralitätszentrums in ein gegebenes prochirales Alken, welches zu den jeweiligen optisch reinen Alkoholen umgesetzt wird. In der klassischen organischen Chemie gelingt die Addition von Wasser an C=C Bindungen (säurekatalysierte 1,2-Addition nach Markovnikov bzw. die basenkatalysierte 1,4-Addition an ,- ungesättigte Michael-Akzeptoren) nur sehr ineffizient und man ist mit Problemen wie niedriger Regioselektivität und dem Auftreten von Produktgemischen aufgrund von Umlagerungsreaktionen konfrontiert. Die Ausnahmebilden einegeringe Zahlan metallkatalysierten Hydratisierungsreaktionen, bei denen ,-ungesättigte Carbonsäuren bzw. Acylimidazole zu den entsprechenden -Hydroxycarbonylverbindungen stereoselektiv umgesetzt werden können. Ein völlig anderes Bild zeigt sich in der Natur, wo Hydratisierungsreaktionen essentielle Stoffwechselwege darstellen. Allerdings sind die dafür verantwortlichen Enzyme (Hydratasen) meist sehr substratspezifisch, was sie zu wenig geeigneten Kandidaten für biokatalytische Prozesse macht. Kürzlich konnten wir das `Proof-of-pinciple` für die stereoselektive Hydratisierung von Styrolderivaten zeigen (siehe Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 2293). Diese Reaktion wird von Phenolsäure- decarboxylasen katalysiert, die aufgrund ihrer katalytischen Promiskuität dazu in der Lage sind. Basierend auf viel versprechenden ersten Ergebnissen plane ich im Rahmen dieses Projektantrages diese neuartige enzymatische Reaktion im Detail zu untersuchen. Nachfolgend, die wichtigsten Punkte zusammengefasst: i) Erweiterung der Enzympalette (Suche nach neuen Enzymen basierend auf sequenziellen, mechanistischen und strukturellen Verwandtschaften), ii) Evaluierung des Substratspektrums (strukturell/elektronisch unterschiedliche Substratklassen), iii) Erweiterung der Substrat-Toleranz (Mutantendesign), iv) Prozessoptimierung (Erhöhung der Ausbeute/optischen Reinheit der jeweiligen Produkte), v) Anwendung von nicht-natürlichen Nucleophilen (zur Synthese von N-, S- und O- Synthonen), vi) Aufklärungen des katalytischen Mechanismus, vii) Anwendung von unterschiedlichen Cosubstraten als Bicarbonat-Surrogate. Im Laufe dieses Projektes ist eine enge Zusammenarbeit mit Prof. Karl Gruber (Karl-Franzens Universität Graz) geplant, der das Forschungsvorhaben mit seiner Expertise in Strukturbiologie unterstützt. Weiters wird die Kooperation mit Prof. A. Liese (Technische Universität Hamburg- Harburg) intensiviert, wodurch eine starke Expertise auf dem Gebiet der Bioprozesstechnologie bereitgestellt wird. Die erfolgreichen Vorversuche in Kombination mit einem optimalen wissenschaftlichen Umfeld (Know-how in Biokatalyse, Strukturbiologie, Enzyme Engineering und Bioprozesstechnologie) stellen die besten Voraussetzungen für eine erfolgreiche Durchführung des Forschungsvorhabens dar.

Die Entwicklung von neuen, nachhaltigen biokatalytischen Konzepten zur Synthese von interessanten Molekülen, stellte den Schwerpunkt dieses Projektes dar. Die regioselektive para-Carboxylierung von aromatischen Verbindungen unter Verwendung von CO2 als alternative Kohlenstoffquelle bzw. die stereoselektive Addition von Wasser bzw. nicht natürlichen Nukleophilen an C=C Doppelbindungen, beide Reaktion katalysiert von sogenannten Decarboxylasen, wurden im Detail untersucht. Die Entwicklung von umweltfreundlichen und energie-effizienten Prozessen zur Herstellung von chemischen Produkten spielt heutzutage eine sehr wichtige Rolle sowohl in der akademischen Forschung als auch in der chemischen Industrie. Die Verwendung von erneuerbaren Rohstoffen, milde Reaktions- bzw. Prozessbedingungen und die Vermeidung von problematischem Abfall stellen dabei zentrale Herausforderungen dar. Biokatalyse, als multidisziplinäres Synthesetool, bietet einen vielversprechenden Lösungsansatz, wo mit Hilfe von biologischen Katalysatoren (Enzymen) eine effiziente Synthese von gewünschten Molekülenunter milden Reaktionsbedingungen (wässrigesReaktionsmedium, Raumtemperatur etc.) durchführbar wird. Der Einsatz von Enzymen ermöglicht einen stereo- und/oder regioselektiven Verlauf der gewünschten Reaktionen, was einen enorm wichtigen Aspekt in vielen Bereichen der chemischen Industrie (Pharma-, Lebensmittel-, Kosmetik-, Agroindustrie usw.) darstellt. Im Rahmen dieses Projektes wurde ein biokatalytisches Konzept zur regioselektiven CO2 - Fixierung (para-Carboxylierung) an aromatischen Verbindungen als nachhaltige Alternative zu konventionellen chemischen Prozessen etabliert. Die dafür verwendeten Decarboxylasen (Enzyme) benötigen dafür einen erst kürzlich entdecktenCofaktor(prenyliertesFlavin). Mutationsstudien und quantenmechanische Berechnungen konnten einen detaillierten Einblick in den katalytischen Mechanismus dieser neuen Reaktion geben. Ein weiterer Schwerpunkt dieses Projektes basierte auf der Promiskuität von Phenolsäuredecarboxlyasen, welche die stereoselektive Addition von Wasser/Nukleophilen (NuH) an C=C Doppelbindungen katalysieren. Diese elegante und nachhaltige Methode ermöglicht die Synthese von chiralen Molekülen (sec- Alkoholen, sec-Aminen etc.) welche sehr wichtige Molekülbausteine in der organischen Chemie darstellen. Im Laufe dieses Projektes konnten wir das Portfolio an biokatalytische Reaktion (para-Carboxylierung, selektive Addition von NuH an C=C Doppelbindungen) erfolgreich erweitern. Die herausragenden Ergebnisse konnten in high-impact Journalen publiziert werden.