Neukonzeption der Stereokontrolle in der Photobiokatalyse: Zugang zu Heteroatom-, axialer und planarer Chiralität

• Antragsteller: Dr. Tristan von Münchow
• Fachliche Zuordnung: Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 572739603

Das zentrale Ziel dieses Projekts besteht darin, innovative Konzepte zur Etablierung neuartiger katalytischer Mechanismen in Enzymen zu entwickeln, indem Biokatalyse mit Photokatalyse kombiniert wird. Dieser interdisziplinäre Ansatz zielt darauf ab, die Energie sichtbaren Lichts zu nutzen, um neuartige enantioselektive Transformationen zu ermöglichen. Jüngste Arbeiten der Arbeitsgruppe von Prof. Paolo Melchiorre (Gastgeber) haben ein überzeugendes Proof-of-Concept für eine enzymvermittelte Iminiumionen-Photokatalyse geliefert, die unabhängig von externen Kofaktoren funktioniert und stattdessen auf der direkten Photoanregung von Reaktionsintermediaten basiert. Obwohl diese frühen Studien eine hohe Stereoselektivität zeigten, ist das gesamte Reaktivitätsspektrum und das synthetische Potenzial dieser neuartigen Plattform bisher weitgehend unerforscht. Die Entdeckung neuer Reaktivitäten bildet daher die Grundlage meines Projekts, mit dem Ziel, photo-biokatalytische, „new-to-nature“ Transformationen zu entwickeln und zu charakterisieren. Dies schließt die enantioselektive Synthese chiraler Strukturelemente jenseits des klassischen stereogenen sp³-Kohlenstoffs ein — insbesondere solcher mit Heteroatom-zentrierter, axialer oder planarer Chiralität. Die selektive Synthese solcher Strukturen ist von großer Bedeutung, da sie häufig in biologisch aktiven Molekülen, pharmazeutischen Wirkstoffen und funktionalen Materialien vorkommen. Trotz ihrer Relevanz sind effiziente und enantioselektive Synthesemethoden für diese anspruchsvollen chiralen Motive bislang rar. Die Entwicklung photo-biokatalytischer Strategien unter milden, nachhaltigen Reaktionsbedingungen bietet in diesem Zusammenhang ein großes Potenzial. Die in diesem Projekt vorgeschlagenen radikalbasierten Synthesestrategien stellen einzigartige Bindungsknüpfungen dar, die mit konventionellen asymmetrischen Methoden bisher nicht zugänglich sind. Zur Effizienzsteigerung werden Hochdurchsatzmethoden zur gerichteten Evolution implementiert, um die Aktivität, Selektivität und Turnover-Zahlen (TON) der identifizierten Photoenzyme gezielt zu verbessern. Dadurch sollen ihre synthetische Anwendbarkeit, Substratbreite und Robustheit deutlich erweitert werden. Darüber hinaus adressiert dieses Forschungsvorhaben eine zentrale Herausforderung der modernen Chemie: die nachhaltige Herstellung wertvoller Moleküle aus leicht zugänglichen Ausgangsstoffen wie Carbonsäuren. Es folgt dabei den Prinzipien der Grünen Chemie, indem es toxische, metallbasierte Verfahren durch biokatalytische Prozesse ersetzt, die durch Licht – eine umweltfreundliche und erneuerbare Energiequelle – angetrieben werden. Dieses Projekt zielt somit darauf ab, die synthetischen Möglichkeiten photoaktivierter Enzyme erheblich zu erweitern und einen Beitrag zu globalen Nachhaltigkeitszielen zu leisten – im Einklang mit den Zielen der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung (UN SDGs) und dem europäischen „Green Deal“.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Italien
• Gastgeber: Professor Dr. Paolo Melchiorre