FOR 1296:  Diversity of Asymmetric Thiamine Catalysis

• Subject Area: Chemistry ; Biology ; Medicine ; Thermal Engineering/Process Engineering
• Term: from 2010 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 128900243

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Thiamindiphosphat (ThDP) abhängige Enzyme sind multifunktionale Biokatalysatoren, die ein breites Spektrum an Reaktionen katalysieren. Zu den wichtigsten Biotransformationen gehören Reaktionen bei denen C–C-Bindungen gespalten oder gebildet werden. Zentrales Ziel der Forschergruppe 1296 war es, neue enzymkatalysierte Transformationen durch ein grundlegendes Verständnis der "Diversität der asymmetrischen Thiamin-Katalyse" zu identifizieren und zu realisieren. Insbesondere sollten Bedingungen definiert werden, die innerhalb der Enzyme unerlässlich sind, damit ein Cofaktor viele verschiedene Reaktionen katalysieren kann. Der Schwerpunkt der Forschergruppe lag auf der Verwendung von ThDP-abhängigen Enzymen für die Synthese chiraler Produkte durch asymmetrische C–C-Bindungsbildung. Diese erfordern eine bestimmte Umgebung im aktiven Zentrum von Enzymen mit definierten Donor- und Akzeptormolekülen, die spezifisch und genau positioniert werden müssen. Während der ersten Projektlaufzeit der Forschergruppe 1296 ermöglichte die Analyse der Sequenz, Struktur und Funktion von 12 speziell ausgewählten Enzymen die Identifizierung und Modulation der Struktur-Funktionsbeziehungen der Enzyme. So wurden Parameter wie Substrat- und Reaktionsspezifität, Stereoselektivität, reaktive Zwischenprodukte und Kinetiken untersucht, ihr Einfluss auf die Thiaminkatalyse charakterisiert und entsprechende Optimierungen implementiert. Das rationale Design neuer Enzymvarianten ermöglichte asymmetrische Synthesen wie Stetter-Reaktionen, Aldehyd-Keton-Kross-Benzoin-Reaktionen sowie Kaskaden- und Fragmentierungsreaktionen und deren Anwendung in präparativen Synthesen. In der zweiten Projektphase wurden verschiedene Familien von ThDP-abhängigen Enzymen untersucht. Diese Enzyme wurden unter biochemischen, mechanistischen, kinetischen, stereochemischen, strukturellen und bioinformatischen Aspekten charakterisiert. Während in der ersten Projektphase die Aminosäurereste der aktiven Zentren im Mittelpunkt standen, wurde in der zweiten Projektphase verstärkt das Netzwerk aller an der ThDP-Katalyse beteiligten Aminosäuren betrachtet. Durch die Arbeit der Forschergruppe 1296 wurde die ThDP-abhängige Enzym-katalysierte asymmetrische Synthese zu einer breit akzeptierten, steuerbaren und biotechnologisch anwendbaren Strategie. Zahlreiche Gruppen rund um den Globus nutzen die innerhalb des Verbundes erarbeiteten Erkenntnisse, Enzyme sowie Transformationen und bauen diese weiter aus. Zugleich fungierte die Forschergruppe 1296 als grundlegend für weitergehende Lehr- und Forschungsverbünde (u.a. DFG Graduiertenkolleg, EU Konsortium).

Publications

• ChemCatChem. 2011, 3: 1587
  Rother (neé Gocke), Dörte; Kolter, Geraldine; Gerhards, Tina; Berthold, Catrine L.; Gauchenova, Ekaterina; Knoll, Michael; Pleiss, Jürgen; Müller, Michael; Schneider, Gunter & Pohl, Martina
  
• J. Am. Chem. Soc. 2011, 133: 3609
  Meyer, Danilo; Walter, Lydia; Kolter, Geraldine; Pohl, Martina; Müller, Michael & Tittmann, Kai
  
• Cat. Sci. Tech. 2012, 2: 1580
  Kulig, Justyna; Simon, Robert C.; Rose, Christopher A.; Husain, Syed Masood; Häckh, Matthias; Lüdeke, Steffen; Zeitler, Kirsten; Kroutil, Wolfgang; Pohl, Martina & Rother, Dörte
  
• Chem. Comm. 2013, 49: 2061
  Westphal, Robert; Waltzer, Simon; Mackfeld, Ursula; Widmann, Michael; Pleiss, Jürgen; Beigi, Maryam; Müller, Michael; Rother, Dörte & Pohl, Martina
  
• ChemCatChem 2013, 13: 3587
  Westphal, Robert; Hahn, Doris; Mackfeld, Ursula; Waltzer, Simon; Beigi, Maryam; Widmann, Michael; Vogel, Constantin; Pleiss, Jürgen; Müller, Michael; Rother, Dörte & Pohl, Martina
  
• ChemCatChem 2014, 6: 1082
  Westphal, Robert; Jansen, Sascha; Vogel, Constantin; Pleiss, Jürgen; Müller, Michael; Rother, Dörte & Pohl, Martina
  
• Curr. Opin. Chem. Biol. 2013, 17: 261
  Müller, Michael; Sprenger, Georg A & Pohl, Martina
  
• FEBS J 2013, 280: 6374
  Hailes, Helen C.; Rother, Dörte; Müller, Michael; Westphal, Robert; Ward, John M.; Pleiss, Jürgen; Vogel, Constantin & Pohl, Martina
  
• Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53: 9376
  Westphal, Robert; Vogel, Constantin; Schmitz, Carlo; Pleiss, Jürgen; Müller, Michael; Pohl, Martina & Rother, Dörte
  
• Chem. Eur. J. 2016, 22: 13999
  Beigi, Maryam; Gauchenova, Ekaterina; Walter, Lydia; Waltzer, Simon; Bonina, Fabrizio; Stillger, Thomas; Rother, Dörte; Pohl, Martina & Müller, Michael
  
• Chem. Ing. Techn. 2016, 88: 1246
  Bock S, Buchholz PCF, Vogel C, Holzapfel AA, Pleiss J, Wiechert W, Pohl M, Rother D
  
• ChemBioChem 2016, 17: 2093
  Buchholz, Patrick C. F.; Vogel, Constantin; Reusch, Waldemar; Pohl, Martina; Rother, Dörte; Spieß, Antje C. & Pleiss, Jürgen
  
• Green Chem. 2017, 19: 380
  Sehl, Torsten; Bock, Saskia; Marx, Lisa; Maugeri, Zaira; Walter, Lydia; Westphal, Robert; Vogel, Constantin; Menyes, Ulf; Erhardt, Martin; Müller, Michael; Pohl, Martina & Rother, Dörte
  
• ChemBioChem 2019, 20: 1672
  Fries, Alexander; Mazzaferro, Laura S.; Grüning, Björn; Bisel, Philippe; Stibal, Karin; Buchholz, Patrick C. F.; Pleiss, Jürgen; Sprenger, Georg A. & Müller, Michael