PLP-abhängige Enzyme: Von Genomik zu chemischen Verbindungen

Aminosäuren gehören zu den wichtigsten Molekülen in der Natur und Chemie, da sie eine zentrale Rolle als Stoffwechselintermediate aber auch als Bausteine von Proteinen und Pharmazeutika spielen. In lebenden Organismen katalysiert Pyridoxal-5-phosphat (PLP) -abhängige Enzyme eine ganze Reihe von biochemischen Reaktionen mit Aminosäuren und deren Analoga als Substraten. Diese Enzyme wurden von Synthesechemikern zur Synthese von natürlichen Aminosäuren und auch zur Synthese von nichtkanonischen Aminosäuren eingesetzt. In diesem Projekt werden wir das katalytische Potential von PLP-abhängigen Lyasen untersuchen und erweitern, wobei wir uns vor allem Threoninaldolasen als Biokatalysatoren von - und -substituierten -Aminosäuren widmen werden. Gegenwärtig stellen die hohe Spezifität für natürliche Substrate und die oftmals geringe Stereoselektivität wesentliche Einschränkungen für die Anwendung von PLP-abhängigen Lyasen in der Organischen Synthese dar. Rationales Design würde eine effiziente Methode zur Optimierung der Enzymeigenschaften darstellen, jedoch ist die Identifizierung der entscheidenden funktionellen Reste eine Herausforderung. Die Analyse der evolutionären Zusammenhänge innerhalb PLP-abhängiger Enzymfamilien ist essentiell um zu verstehen, wie die Funktion dieser Enzyme durch die Natur evolviert wurde. Wir wollen dieses evolutionäre Wissen nützen, um neue Substratspezifitäten und katalytische Aktivitäten zu designen und zu optimieren. Bei der Erforschung der PLP-abhängigen Enzyme werden von uns genetische und strukturelle Informationen verglichen, um: a) das Verständnis der Struktur-Funktion-Beziehungen in PLP-abhängigen Enzymen zu vertiefen und jene Aminosäurereste zu identifizieren, die für die funktionelle Unterscheidung dieser Enzyme gleichen evolutionären Ursprungs entscheidend sind; b) Mutationen vorhersagen zu können, mit denen die Substratspezifität (z. B. des Donors) und Diastereoselektivität von Threoninaldolasen verbessert werden können und Biokatalysatoren für die Synthese von -Hydroxy-quaternären--Aminosäuren zu designen; c) das katalytische Potential von PLP-abhängigen Lyasen mit unterschiedlichen katalytischen Eigenschaften (z. B. Tryptophansynthase, Tyrosin Phenol-Lyase, und Cystathionin--lyase) zugänglich zu machen und ihre promiskuitive Aktivität zur Herstellung von -substituierten - Aminosäuren zu nützen. Rational designte Lyasen werden für die asymmetrische Synthese von nichtkanonischen Aminosäuren in hoher Selektivität und milden Reaktionsbedingungen eingesetzt werden. Dieser neuartige biokatalytische Ansatz wird eine vielversprechende Alternative zu gegenwärtig benützten chemischen Verfahren sein.

Die Verwendung von Biotransformationen zur Synthese chemischer Verbindungen ist eine effiziente und nachhaltige Alternative zu klassischen Synthesemethoden. In diesem Projekt wollten wir das Synthesepotential der natürlichen Katalysatoren - Enzyme - für die Synthese von Aminosäuren untersuchen. Aminosäuren gehören zu den wichtigsten Molekülen in Natur und Chemie. Die spielen eine zentrale Rolle sowohl als Zwischenprodukte im Stoffwechsel als auch als Bausteine von Proteinen und Pharmazeutika. In lebenden Organismen katalysiert Pyridoxal-5'-phosphat (PLP) -abhängige Enzyme eine ganze Reihe von biochemischen Reaktionen mit Aminosäuren und deren Analoga als Substraten. Diese Enzyme wurden von Synthesechemikern zur Synthese von natürlichen Aminosäuren und auch zur Synthese von nichtkanonischen Aminosäuren eingesetzt. Ihre Anwendung in der Industrie ist jedoch aufgrund des engen Substratbereichs und manchmal geringer Aktivität gegenüber interessierenden Molekülen immer noch begrenzt. Während des Projekts haben wir das Wissen über PLP-abhängige Lyasen, insbesondere Threoninaldolasen, für die Anwendung als Biokatalysatoren zur Herstellung von beta-Hydroxy-alpha-aminosäuren untersucht und erweitert. Dieses Wissen ermöglichte es uns, L-Threoninaldolase rational zu verändern und die Biokatalysatoren mit den gewünschten Eigenschaften herzustellen. Infolgedessen wurden L-Phenylserinderivate, potenzielle Arzneimittel für die Parkinson-Therapie, unter Verwendung einer einfachen einstufigen biokatalytischen Transformation mit gentechnisch veränderter L-Threoninaldolase effizient hergestellt. Weiter können alpha-substituierte Analoga von L-Phenylalanin, wichtige Bausteine therapeutischer Peptide, unter Verwendung eines chemo-enzymatischen Zwei-Schritt-Verfahrens mit ausgezeichneter Stereoreinheit hergestellt werden. Darüber hinaus haben wir bei einem Vergleich der evolutionären Besonderheiten der PLP-abhängigen Enzyme herausgefunden, wie die funktionelle Divergenz durch die natürliche Evolution verursacht wurde. Diese Erkenntnis ermöglicht es Chemikern, neue spezifische Biokatalysatoren und Synthesewege zu entwickeln, und vermittelt den pharmazeutischen Wissenschaftlern jedoch auch grundlegendes Wissen, um neue Wirkstoffkandidaten zu entdecken.