Entwicklung von de novo Metalloproteinen als künstliche Enzyme für Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungsknüpfung

• Antragstellerin: Professorin Dr. Cathleen Zeymer
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 453748800

Die chemische und pharmazeutische Industrie steht unter zunehmendem Druck, die traditionelle chemische Katalyse durch umweltfreundliche Ansätze bei der Synthese hochwertiger Verbindungen zu ersetzen. Die Verwendung von Enzymen als Katalysatoren verspricht Nachhaltigkeit in Kombination mit überlegener Selektivität und katalytischer Effizienz. Oftmals werden jedoch abiologische Reaktionen, die für industrielle Prozesse relevant sind, nicht von natürlichen Enzymen beschleunigt. Eine wirkungsvolle Strategie zur Erweiterung des biokatalytischen Spektrums ist daher die Entwicklung künstlicher Metallenzyme, bei denen ein katalytisch aktiver Metall-Cofaktor in ein Proteingerüst eingebettet wird, das seinerseits Stereoselektivität hervorbringt.Meine Gruppe hat vor kurzem die Bildung robuster und spezifischer Metall-Protein-Komplexe etabliert, die auf computer-generierten Proteingerüsten und nicht-natürlichen Metall-Cofaktoren basieren. Bemerkenswert ist, dass die Metalle direkt durch natürliche Aminosäuren des Proteins koordiniert und somit im Gerüst verankert sind. Aufbauend auf diesen Arbeiten wollen wir nun eine vielseitige biokatalytische Plattform für synthetisch wertvolle Reaktionen generieren. Der Fokus liegt dabei auf stereoselektiver Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungsknüpfung. Der erste Teil des Antrags konzentriert sich auf ein künstliches Di-Rhodium-Enzym zur Katalyse von Carben-Insertionen, während der zweite Teil ein Lanthanoid-Enzym beschreibt, das Michael-Additionen katalysieren soll. Unser Ansatz zur Optimierung der Enzyme ist die gerichtete Evolution – eine Technik, die die natürliche Evolution durch iterative Zyklen von Mutagenese und in vitro Screening im Labor nachahmt. Verbesserungen der Produktausbeute, der Regio-/Stereoselektivität und der katalytischen Effizienz können typischerweise durch eine kleine Anzahl Mutationen induziert werden. Vollständig am Computer entworfene Proteine wurden bisher jedoch noch nicht einer umfangreichen Labor-Evolution unterzogen, und wir wollen daher ihre Evolvierbarkeit bewerten. Darüber hinaus ist die strukturelle und mechanistische Charakterisierung der generierten Enzyme ein integraler Bestandteil unserer Arbeit und wesentlich für das Verständnis des Wirkungsmechanismus. Falls erfolgreich werden diese Arbeiten nicht nur zu innovativen biokatalytischen Anwendungen führen, sondern auch wertvolle mechanistische Erkenntnisse liefern, die sowohl auf synthetische als auch auf natürliche bioanorganische katalytische Systeme übertragbar sind. Darüber hinaus wollen wir zu einem fundamentalen Verständnis beitragen, wie Enzyme von Grund auf neu erzeugt werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen