Bioinspirierte W-Modellkomplexe für die Acetylen Hydratase

Die meisten von uns kennen Acetylen als Gas für das Schweißen, da es mit sehr hoher Temperatur verbrennt. Für das Bakterium Pelobacter acetylenicus jedoch stellt Acetylen eine Nahrungsquelle und den einzigen Kohlenstofflieferanten dar. Hierfür wird Acetylen in die für den Organismus wichtige Energiequelle ATP umgesetzt. Im ersten Schritt reagieren Acetylen und Wasser zu Acetaldehyd, das durch das Enzym Acetylene hydratase (AH) ermöglicht wird, welches in vieler Hinsicht einzigartig ist. Im inneren Zentrum befindet sich ein Wolframatom, das für die biologische Funktion wesentlich ist. Wolfram ist das schwerste Element im Periodensystem, das in lebenden Organismen eine Rolle spielt. AH ist das einzige bekannte Enzym, das Acetylen als natürliches Ausgangsmaterial verwendet. Wie das Enzym diese ungewöhnliche Reaktion durchführt, ist größtenteils unbekannt. Dieses Forschungsvorhaben zielt darauf ab, das Verständnis zur den einzelnen Reaktionsschritten im Enzym zu verbessern. Da Enzyme sehr große und komplexe Moleküle sind, ist deren Untersuchung oftmals schwierig. Eine Möglichkeit trotzdem Informationen zu erhalten, ist die Entwicklung kleiner chemischer Verbindungen, die den inneren Kern des Enzyms imitieren und dadurch die Untersuchungen vereinfachen. Dadurch können Erkenntnisse gewonnen werden, wie ein Acetylenmolekül mit Wolfram interagiert und zu Acetaldehyd umgesetzt wird. Zu diesem Zweck werden Wolframverbindungen synthetisiert, die einen dem Enzym ähnlichen räumlichen Aufbau aufweisen. In einem schrittweisen Verfahren werden diese Verbindungen mit Acetylen und Wasser versetzt. Die Bindungen von Acetylen und Wasser zum Wolframatom werden mit state-of-art chemischen und analytischen Methoden untersucht. Die Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens tragen nicht nur zur Aufklärung der Funktionsweise des Enzyms bei, sondern können auch neue Erkenntnisse zur Verwendung des Acetylens als chemisches Ausgangsmaterial liefern.

Obwohl sehr klein, enthält das Acetylenmolekül eine beträchtliche Menge an Energie. Je nachdem, wie diese Energie genutzt wird, kann Acetylen als Schweißgas zum Verbinden von Metallstücken oder als Nahrungsquelle für das Bakterium Pelobacter acetylenicus dienen. Dieses Bakterium verwendet das Enzym acetylen hydratase (AH), welches das schwere Element Wolfram (W) in einem hohen Oxidationsstufe enthält, um die Reaktion zwischen Wasser und Acetylen zu erleichtern. Während dieser Reaktion wird Acetaldehyd gebildet, das dann in den Stoffwechselkreislauf eintreten und ATP, die molekulare Währungseinheit des Lebens, produzieren kann. Die genaue Interaktion zwischen dem Enzym, Wasser und Acetylen bleibt jedoch unklar, weshalb Modellierungsstudien notwendig sind, um diese Reaktion aufzuklären. Darüber hinaus sind Acetylen-Derivate ein vielseitiges Ausgangsmaterial für die Entwicklung neuer Pharmazeutika. Daher ist Forschung auf diesem Gebiet nicht nur für das Gesundheitswesen vorteilhaft, sondern kann auch zur Senkung der Gesundheitskosten beitragen. Inspiriert von der Eleganz der Natur hatten wir das Ziel, eine Wolframverbindung zu schaffen, die die Reaktion zwischen Acetylen und Wasser erleichtern könnte. Wir stellten verschiedene biomimetische Wolframverbindungen mit schwefelreichen Liganden her und reagierten sie mit Acetylen. Dieser Teil der Studie ist bedeutend, da er unser Verständnis von Wolfram-Acetylen-Addukten, die selten und wenig erforscht sind, verbessert. Abhängig von der Stärke der Acetylenbindung an das Wolframzentrum können Reaktionen mit Nukleophilen eine Vielzahl von Produkten ergeben. Zum Beispiel reduziert sich der Acetylenligand in einer basischen, wässrigen Lösung zu Ethylen, begleitet von der Oxidation des Metallzentrums. Überraschenderweise waren die von uns hergestellten W-Acetylen-Addukte gegenüber der Acetylenhydratisierung reaktionsträge. Obwohl sie nicht mit Wasser reagierten, reagierte Acetylen in Gegenwart des Wolframzentrums mit anderen Molekülen (Nukleophilen). Dies deutete darauf hin, dass die gewünschte Acetylenhydratisierung als zweistufiger Prozess ablaufen könnte. Tatsächlich beobachteten wir bei der Reaktion eines stickstoffreichen W-Komplexes mit Acetylen eine intermediäre Vinylspezies, die ein reaktiverer Acetylenersatzstoff ist. Diese Spezies reagiert leicht mit Wasser und ergibt Acetaldehyd. Zum ersten Mal wurde ein Modellkomplex gefunden, der die schwierige Reaktion zwischen Acetylen und Wasser erleichtert. Diese Entdeckung liefert einen wichtigen biologischen Einblick: Aminosäurereste in der Nähe des W-Zentrums der AH könnten entscheidend dafür sein, zuerst mit Acetylen zu reagieren, bevor es mit Wasser reagieren. Diese Idee verändert die Richtung der Forschung zur Enzymmodellierung und für nachhaltige Reaktionen mit Alkinverbindungen.