Neue katalytische asymmetrische Reaktionen durch Thiamindiphosphat-abhängige Enzyme

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Michael Müller; Professor Dr. Jürgen Pleiss; Professorin Dr. Martina Pohl
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 49680478

Die durch Thiamindiphosphat (ThDP)-abhängige Enzyme katalysierte asymmetrische Benzoin- und Acyloinkondensation ist insbesondere durch die Vorarbeiten der Antragsteller bekannt. Dabei werden ausgehend von unterschiedlichen Aldehyden - abhängig von der Selektivität der jeweiligen Enzyme - diverse chirale 2-Hydroxyketone mit sehr guten Enantiomerenüberschüssen zugänglich. Das Potenzial ThDP-abhängiger Enzyme soll im vorliegenden Antrag gezielt dazu genutzt werden, ausgehend von substituierten Acetaldehydderivaten, Formaldehyd, a-CH-aciden Aldehyden, sowie Ketonen chirale Acyloine in einem Schritt verfügbar zu machen. Derartige Verbindungen sind durch nicht-enzymatische katalytische Methoden nicht einfach zugänglich. Die von ThDP-abhängigen Enzymen bekannten (Biosynthese)Reaktionen zeigen jedoch, dass diese Enzyme zur Stabilisierung der entsprechenden Zwischenstufen in der Lage sind. Daher soll das von uns für aromatische Aldehyde entwickelte selektive Donor-Akzeptorkonzept für die gekreuzte Benzoinkondensation entsprechend erweitert werden. Dies erfolgt durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit dreier Arbeitsgruppen aus der Chemie/Pharmazie (Müller, Freiburg), der Enzymtechnologie (Pohl, Düsseldorf) und der Bioinformatik (Pleiss, Stuttgart), da die Identifizierung entsprechender Enzyme aus dem natürlichen Pool bzw. die gezielte Optimierung eines Enzyms mit den gewünschten Eigenschaften, ein vertieftes Verständnis von Struktur-Funktionsbeziehungen erfordert. Die Carboligasereaktion ist ein bislang nur wenig untersuchter Bereich der ThDP-Biokatalyse. Einige der im aktiven Zentrum relevanten Schlüsselpositionen sind bereits maßgeblich durch die Arbeiten der Antragsteller bekannt, allerdings umfassen die bisherigen Untersuchungen nur wenige Enzyme, die die in diesem Antrag beschriebenen Zielreaktionen nicht oder nur unzureichend katalysieren, und erlauben keine übergeordneten Aussagen, welche die Vorhersage oder gezielte Einführung bestimmter Eigenschaften ermöglichen würden. Auf der Basis bereits publizierter und während der Projektlaufzeit zu erarbeitender Sequenz- und Strukturdaten von Wildtyp und Mutanten wird eine familienspezifische Datenbank aufgebaut, die die Grundlage für eine allgemeine Untersuchung der molekularen Grundlagen der biochemischen Eigenschaften von ThDPabhängigen Enzymen bildet. Über den Zugang zu neuen Produkten hinaus, wird als Mehrwert des Projekts ein vertieftes Verständnis der Struktur-Funktionsbeziehungen von ThDP-abhängigen Enzymen erwartet, das nicht nur die gezielte Anpassung der Enzyme an neue Fragestellungen ermöglicht, sondern auch wichtige Erkenntnisse für die nicht-enzymatische Thiaminkatalyse liefert. Der durch die Natur für eine Vielfalt von Reaktionen evolvierte Cofaktor Thiamin dient somit als Vorbild für die Generierung neuer Strategien zur „Evolution von (Organo)katalysatoren“.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen