FOR 1296:  Diversity of Asymmetric Thiamine Catalysis

• Fachliche Zuordnung: Chemie ; Biologie ; Medizin ; Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 128900243

Thiamindiphosphat (ThDP)-abhängige Enzyme sind an vielfältigen Bindungsknüpfungen und -spaltungen beteiligt. Als zentrales Ziel in der Forschergruppe wird - durch ein grundlegendes Verständnis der Diversität asymmetrischer Thiamin-Katalyse - die Aufklärung neuer thiaminkatalysierter Reaktionen angestrebt. Konkret soll geklärt werden, wie von einem Cofaktor katalysierte, äußerst diverse Reaktionen durch die Proteinumgebung im Enzym gesteuert werden. Von besonderem Interesse ist hier das Carboligations-Potenzial der Enzyme zur asymmetrischen Synthese von Chiralika. Die C-C-Verknüpfungen erfolgen ausgehend von definierten Donor- und Akzeptormolekülen als Substraten, die durch bestimmte Bindungsstrukturen im Enzym in eine reaktive Position gebracht und/oder vor Folgereaktionen geschützt werden.
Um die zugrunde liegenden Struktur-Funktions-Beziehungen zu verstehen und modulieren zu können, erfolgt eine Analyse von sequenz- und strukturabhängigen Effekten an zwölf gezielt ausgewählten ThDP-abhängigen Enzymen. Dadurch können übergeordnete Parameter wie Substratspezifität und Stereoselektivität bestimmt werden. Ein gezieltes Design neuer Biokatalysatoren für bislang nicht durchführbare asymmetrische Reaktionen soll aus dieser Kenntnis abgeleitet werden.
Darüber hinaus ist ein vertieftes Verständnis der Struktur-Funktions-Beziehungen von ThDP-abhängigen Enzymen für die nicht-enzymatische Katalyse sowie für theoretische Betrachtungen von Bedeutung. Der durch die Natur für eine Vielfalt von Reaktionen evolvierte Cofaktor ThDP dient so als Vorbild für neue Strategien zur Generierung von biomimetischen Organokatalysatoren. Für die Entwicklung optimierter Heterazoliumkatalysatoren wird erwartet, dass generelle Faktoren, die im Enzym bei der Stabilisierung von Übergangszuständen und bei der Substrataktivierung eine wichtige Rolle spielen, wertvolle Anregungen geben.
Die ausgewählten ThDP-abhängigen Enzyme werden eingehend unter biochemischen, mechanistischen, kinetischen und stereochemischen Gesichtspunkten charakterisiert. Aufgrund der Heterogenität der Enzymklasse und der geringen Sequenzähnlichkeiten wird dies ergänzt durch eine zentrale bioinformatische Auswertung und strukturbiologische Untersuchungen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen

Projekte

• Catalytic asymmetric Stetter reaction (Antragsteller Müller, Michael )
• Catalytic promiscuity of thiamine enzymes (Antragstellerinnen Pohl, Martina ;  Rother, Dörte )
• Ketones and imines as substrates of ThDP-dependent enzymes (Antragsteller Müller, Michael )
• MenD (SEPHCHC synthase), a thiamine-dependent enzyme with similarity to the Stetterases (Antragsteller Sprenger, Georg )
• Modeling the sequence-structure-function relationships of ThDP-dependent enzymes (Antragsteller Pleiss, Jürgen )
• Reaction kinetics identification for the analysis of reaction mechanisms of ThDP-dependent enzymes (Antragstellerin Spieß, Antje )
• Structure and reactivity of intermediates in the carboligation of ThDP-dependent enzymes (Antragsteller Tittmann, Kai )
• Thiamine-inspired novel organocatalytic reactions with heterazolium precatalysts (Antragstellerin Zeitler, Kirsten )
• Zentralprojekt (Antragsteller Müller, Michael )

• Sprecher: Professor Dr. Michael Müller