Nicht-natürliche anti-Markovnikov oxidation von Olefinen durch gerichtete Evolution von P450 Monooxygenasen

• Antragsteller: Professor Dr. Stephan C. Hammer
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 314505037

Die Entwicklung von Methoden zur Generierung von gewünschter, nicht-natürlicher Enzymfunktion ist von großer Bedeutung. Dies ermöglicht den Zugang zu neuen Enzymen für die therapeutische Anwendung, die Biotechnology sowie für die organische Synthese. Somit lassen sich Herausforderungen adressieren, welche außerhalb der Reichweite derzeitiger Ansätze liegen.Der vorliegende Antrag unterstützt eine neue Methodik zur Entwicklung von nicht-natürlicher Enzymfunktion. Hierbei wird die vielseitige Reaktivität der katalytischen Zentren existierender Enzyme als Startpunkt verwendet um eine gewünschte Enzymfunktion zu entwickeln. Ziel des Vorhabens ist die Laborevolution einer promiskuitiven P450 Monooxygenase (P450s) für die katalytische anti-Markovnikov Oxidation von Olefinen. Während P450s in der Natur die Epoxidierung von Olefinen katalysieren, adressiert dieses Projekt die Carbonyl-selektive Oxidation. Dies soll durch eine neuartige Metalloenzym-Engineering Strategie ermöglicht werden, welche elektronische Effekte nutzt um das Metall an den neuen katalytischen Zyklus anzupassen. Aufgrund der großen Bedeutung von elektronischen Effekten im Design von Übergangsmetallkatalysatoren in der organischen Chemie, erwarten wir einen wesentlichen Einfluss im Metalloenzym-Design. Durch diese Studie erhoffen wir uns einen Einblick, in welchem Ausmaß elektronische Effekte für Entwicklung nicht-natürlicher Enzymfunktion genutzt werden können. Entwickelte Enzymvarianten werden detailliert charakterisiert um die mechanistische Grundlage der nicht-natürlichen Enzymfunktion zu beschreiben. Die hier adressierte Enzymfunktion, die anti-Markovnikov Oxidation von Olefinen, ist für die organische Synthese von großer Bedeutung sowie ein historischer als auch aktueller Forschungsschwerpunkt. Bisher konnte kein guter Katalysator für diese Reaktion entwickelt werden. Darüber hinaus kann die erzeugte Enzymfunktion mit vielen weiteren etablierten Biokatalysatoren kombiniert werden, wodurch sich neue Möglichkeiten für Enzymkaskaden und die Entwicklung artifizieller Biosynthesewege ergeben. Das gilt besonders für den hier adressierten Biokatalysator, da die erzeugten Carbonyl-Reaktionsprodukte hervorragende Substrate für viele etablierte Biokatalysatoren darstellen (z.B. Alkohol Dehydrogenasen, Transaminasen, Aldolasen, ThDP-abhängige Lyasen, Hydroxynitril-Lyasen und Pictet-Spenglerasen). Dies ermöglicht die Realisierung einer Vielzahl an neuen Enzymkaskaden für anspruchsvolle anti-Markovnikov-Funktionalisierungen von Olefinen. Hoch-attraktive Anwendungen dieser Arbeit sind zum Beispiel die formale anti-Markovnikov Hydratisierung (Kaskade mit einer Alkohol-Reduktase) und Hydroaminierug (Kaskade mit einer Transaminase) von terminalen Olefinen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeberin: Professorin Frances H. Arnold, Ph.D.