Biokatalytische Dealkylierung für die organische Synthese

• Antragsteller: Professor Dr. Uwe T. Bornscheuer
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 492770259

Komplexe organische Synthesen erfordern häufig die Verwendung orthogonaler Schutzgruppen. Hierfür sind Methylether und verwandte Alkylderivate von hoher Relevanz. Sie sind leicht einzuführen, preiswert, chemisch robust und erfüllen fast alle Kriterien einer perfekten Alkohol-Schutzgruppe. Ihre Abspaltung erfordert aber harsche (stark saure und/oder nukleophile) Bedingungen, was die Kompatibilität mit komplexen Molekülen erheblich einschränkt. Ziel dieses Projektes ist die Etablierung einer biokatalytischen Lösung mittels redoxaktiver Enzymen, die die angestrebte O-Dealkylierung unter milden Bedingungen mit molekularem Sauerstoff als Oxidationsmittel katalysieren. Ziel ist es, eine vielseitige Toolbox für organische Chemiker zu schaffen, mit der O-Alkylether regio- und chemoselektiv gespalten werden können. Hierfür werden wir vor allem zwei Forschungsfragen adressieren: (1) „Wie viel chemical space kann prinzipiell durch die enzymatische O-Dealkylierung erschlossen werden?“ und (2) „können effiziente Enzyme mit breitem Substratspektrum für die chemo- und regioselektive O-Dealkylierung in der organischen Chemie entwickelt werden?“. Die Dealkylierung soll durch P450-Monooxygenasen erreicht werden, die mittels Hydroxylierung von Alkylethern unter Freisetzung eines Aldehyds letztlich zur freien Hydroxygruppe führen. Mit in silico Methoden (z.B. BLAST-Suche) werden neue Enzyme identifiziert und mittels Protein-Engineering-Methoden (Struktur-basiertes rationales Design und gerichtete Evolution) verbessert werden. In Kombination mit einem etablierten Hochdurchsatz-Screenings gegen eine wohldefinierte Substratbibliothek werden die neuen Enzyme charakterisiert und für synthetische Anwendungen weiterentwickelt. Die Produkte der Biokatalyse werden gereinigt und organischer Strukturaufklärung unterworfen (präparative und analytische HPLC-MS, 1D / 2D-NMR-Spektroskopie, HRMS-Analyse). Wir wollen neue oxidativ-wirksame Enzyme für die Spaltung von Alkylethern und eng verwandten Alkohol-Schutzgruppen etablieren und so biochemische Daten zu noch unerforschten Proteinen liefern. Der Fokus wird auf Cytochrom P450 (BM3-Familie) und andererseits auf kürzlich von der Bornscheuer-Gruppe in marinen Bakterien entdeckten CYPs liegen, deren natürliche Funktion die Demethylierung von 6-O-Methyl-D-Galaktose ist. Die gelöste Kristallstruktur einer CYP P450 wird als Basis für das rationale Proteindesign dienen, um das Substratprofil zu erweitern. Ziel ist es eine Toolbox geeigneter P450-Enzyme für die O-Dealkylierung für ein breites Substratspektrum zu erarbeiten. Das Kernteam kombiniert die für die Lösung der wissenschaftlichen Fragestellungen nötigen Expertisen: Organische Synthesechemie (Christian Stanetty) und Biokatalyse (Florian Rudroff) an der TU Wien, sowie Enzymentdeckung, Protein Engineering & Biokatalyse (Uwe Bornscheuer) an der Universität Greifswald.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Florian Rudroff; Dr. Christian Stanetty