Redox-neutrale Biokatalyse: Intramolekulare Bio-Tishchenko Reaktion

Abstract FWF Public relations Chemiker, die auf dem Gebiet der organischen Synthese tätig sind, versuchen neue Synthesewege zu entwickeln, die nicht nur kostengünstig sind und hinsichtlich Ausbeute und Selektivität leistungsfähiger sind, sondern auch eine geringe Umweltbelastung aufweisen. Hier lassen wir uns von bestehenden chemischen Systemen inspirieren, um biologische Pendants mit reduziertem ökologischem Fußabdruck zu konzipieren und zu entwickeln. Durch die von der Natur abgeleiteten Systeme sollte es möglich sein, chemische Prozesse zu erreichen, die eleganter und attraktiver sind und uns darüber hinaus eine Annäherung an den Heiligen Gral der Chemie von `1 + 1 = 1` ermöglichen. In dem Projekt `Redox-neutrale Biokatalyse: Intramolekulare Bio-Tishchenko Reaktion` wird die katalytische Aktivität von Proteinen in der intramolekularen Tishchenko-Reaktion untersucht. Dabei gehen zwei gleichwertige Teile eines Moleküls eine einzelne Umsetzung in entgegengesetzter Richtung ein: Ein Teil gibt Elektronen ab, die von dem zweiten Teil aufgenommen werden. Durch dieses Verfahren werden die zwei Teile aneinander gebunden und erzeugen ein einziges Produkt mit neuer Funktionalität. Biokatalyse ist eine sogenannte `Enabling-Technologie`, die zur Entwicklung nachhaltiger Prozesse beiträgt, indem sie in der Chemie die Verwendung von keinen oder weniger toxischen Reagenzien und Katalysatoren ermöglicht. Die Vorteile der Biokatalyse, die in den milden Reaktionsbedingungen und der hohen Selektivität außerdem liegen, sind auf die Verwendung von Proteinen als natürliche Katalysatoren (auch als Enzyme bezeichnet) zurückzuführen. Bisher wurde kein Enzym für die Tishchenko-Reaktion nachgewiesen. Das Ziel des Projekts ist es, das erste ausschließlich auf biologischen Werkzeugen basierte Beispiel für diese Reaktion zu entwickeln. In der hoch atomökonomischen Biotransformation werden weder Reagenzien eingesetzt noch Nebenprodukte produziert. Somit handelt es sich aus Sicht der Nachhaltigkeit um ein hoch attraktives Verfahren. Die Untersuchung einer Vielzahl Ausgangsmaterialien und die Identifizierung idealer Bedingungen für die Erzeugung von Einzelprodukten in hoher Selektivität sind Hauptbestandteile des Projekts. In einer Vorstudie konnte ein Modellsubstrat erfolgreich umgesetzt werden und das dafür entwickelte Protokoll wird hier weiter angewandt. Es werden aufgereinigte Proteine in der Umsetzung von ausgesuchten Molekülen eingesetzt und deren Einfluss auf die Produktbildung untersucht. Die Reaktion, in der keine anderen Reagenzien eingesetzt und keine Abfälle erzeugt werden, benötigt einen einzigen natürlichen Katalysator. Solche vereinfachten biologischen Systeme mit nachgewiesener synthetischer Effizienz sind selten. Die intramolekulare Bio-Tishchenko-Reaktion wird dadurch einen wichtigen Beitrag für eine nachhaltigere Erzeugung von Chemikalien leisten und schlussendlich zeigen, dass `1 + 1 = 1` ist.

Biokatalyse ist eine sogenannte 'Enabling-Technologie', die zur Entwicklung nachhaltiger Prozesse beiträgt, indem sie in der Chemie die Verwendung von keinen (oder weniger) toxischen Reagenzien und Katalysatoren ermöglicht. Die Vorteile der Biokatalyse, die in den milden Reaktionsbedingungen und der hohen Selektivität liegen, sind auf die Verwendung von Proteinen als natürlichen Katalysatoren (auch als Enzyme bezeichnet) zurückzuführen. Diese biologischen Moleküle beschleunigen die Geschwindigkeit einer bestimmten chemischen Reaktion und sorgen somit für kurze Reaktionszeiten. In diesem Projekt wurde die katalytische Aktivität von Proteinen in der intramolekularen Tishchenko-Reaktion untersucht. Bei dieser chemischen Reaktion werden zwei reaktive Teile eines Moleküls jeweils in entgegengesetzter Richtung umgewandelt: Ein Teil gibt Elektronen ab, die vom zweiten Teil aufgenommen werden. Durch diesen Austausch von Elektronen werden die beiden Teile zusammengeführt und erzeugen ein Produkt mit neuer Funktionalität. Dabei wurde eine hochatomeffiziente Biotransformation entwickelt, die hauptsächlich in Wasser unter Verwendung von Alkoholdehydrogenasen als Enzymen stattfindet: Die Anzahl der Atome im erhaltenen Produkt war vergleichbar mit der Anzahl der Atome im Ausgangsmaterial zu Beginn der Reaktion, und weder Reagenz noch Nebenprodukt waren an der Synthese der Zielprodukte beteiligt. Ein solches Verfahren ist unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit äußerst attraktiv, da durch den internen Austausch von Elektronen eine neue Funktionalität und möglicherweise neue Eigenschaften erhalten werden kann, ohne Abfall zu produzieren. Durch Untersuchung der Art der Moleküle, die in diesem Prozess umgesetzt wurden, war es möglich, ein geeignetes Dekorationsmuster zu identifizieren, welches mit den Alkoholdehydrogenasen kompatibel war und eine möglichst effiziente Transformation ermöglichte. Die erhaltenen Produkte gehören zur Klasse der Lactonmoleküle. Lactone finden breite Anwendung als Inhaltsstoffe in Aromen und Duftstoffen, aber auch als Ausgangsmaterialien für Polymere. In diesem Projekt konnte eines der erzeugten Lactonprodukte erfolgreich in ein Polymer umgewandelt werden. Weitere Lactonprodukte könnten als kleine Bausteine bei der Synthese von pharmazeutischen Wirkstoffen eingesetzt werden. Schließlich wurde eine sehr einfache und elegante Methode entwickelt, um neue Moleküle in einem effizienten und sauberen Verfahren herzustellen: Ein Substrat wurde durch einen einzelnen Katalysator aus natürlichen Quellen in ein Produkt umgewandelt, ohne dass Reagenzien erforderlich waren. Die Entwicklung dieses Verfahrens ist ein wichtiger Meilenstein für eine nachhaltigere Erzeugung von Chemikalien.