Umweltschonende enzymatische Synthese von chiralen, substituierten Heterozyklen durch Zyklasen
Der Großteil an Wirkstoffen und Feinchemikalien zeichnet sich durch einen hohen Funktionalisierungsgrad und eine Vielzahl an Stereozentren aus. Dabei stellen Heterozyklen ein wichtiges Strukturmotiv in diesen Verbindungen dar. Klassische chemische Syntheserouten komplexer Verbindungen sind in der Regel mehrstufig und enorm aufwendig. Probleme bei deren Herstellung sind die beträchtlichen Mengen an benötigtem Material und Energie, sowie die großen Mengen an anfallendem Abfall, welcher aufwendig entsorgt werden muss. Für Reaktionen im größeren Maßstab ist dies besonders problematisch, weshalb dafür langfristig dringend nachhaltigere Alternativen gefunden werden müssen. Der Einsatz von Biokatalysatoren für synthetische Zwecke kann signifikant zur Lösung dieser Problematik beitragen. Dabei handelt es sich meistens um Enzyme, deren Reaktion im Temperaturbereich von 20-37 °C, bei neutralem pH-Wert, in wässriger Umgebung und bei Normaldruck stattfindet. Das Umweltpotential dieser ist enorm hoch, da organische Lösungsmittel und giftige Reaktanden weitestgehend vermieden werden. Dadurch kann eine effizientere Nutzung von Energie und Ressourcen gewährleistet werden, was die Verwendung von Biokatalysatoren für die Entwicklung nachhaltiger Synthesemethoden der Zukunft enorm attraktiv macht. Ziel dieses Promotionsprojektes ist die detaillierte Untersuchung und Erschließung einer neuartigen Gruppe von Zyklasen für die biokatalytische Bildung von chiralen, mehrfach substituierten Heterozyklen. Mögliches Anwendungsgebiet für diese Zyklasen ist die Synthese von chiralen Feinchemikalien und Naturstoff-abgeleiteten Wirkstoffen.
In einigen Naturstoff-Genclustern konnten bereits Gene gefunden werden, die für solche Enzyme kodieren. Dabei handelt es sich um pyranbildende, DH-homologe Zyklase-Domänen, die nach einem oxa-MICHAEL-Additions-Mechanismus agieren. Die THP-bildende Zyklase AmbDH3 aus der Biosynthese der Ambruticine konnte in vitro charakterisiert werden. Studien unserer Arbeitsgruppe bezüglich der Substratspezifität der AmbDH3 zeigten, dass die Domäne vielversprechende Tendenzen bezüglich Substrattoleranz sowie Stereoselektivität aufweist. Im Rahmen des Projektes sollen durch Verbesserung der Proteinproduktion, Optimierung der Reaktionsbedingungen und Proteinimmobilisierungen mehrmalige Umsetzungen mit AmbDH3 im Multigramm-Maßstab möglich werden. Zudem soll die Substratspezifität der AmbDH3 durch Reaktion mit einer Bibliothek an Vorläuferderivaten detaillierter untersucht werden. Außerdem sollen zusätzliche Zyklasen charakterisiert und deren Substrattoleranz mithilfe der zur Verfügung gestellten Vorläufer-Derivatbibliothek getestet werden. Dadurch erweitert sich der synthetische Nutzen der Zyklase-Domänen enorm.