Réactions de Cascade enzymatique pour la synthèse des aminoalcools chiraux de L-lysine

Malgré les avantages offerts par biocatalyse, l’intégration des étapes biocatalytiques de voies synthétiques ou itinéraires biocatalytiques totales reste essentiellement limitée aux résolutions cinétiques enzymatiques. Ces itinéraires ont été largement utilisés dans un premier temps en synthèse asymétrique de chimio-enzymatique, mais biocatalyse offre beaucoup plus de possibilités dans le groupe fonctionnel interconversions avec grande stéréosélectivité^1,2,3 . En outre, comme réactions biocatalytiques sont déroulent dans des conditions similaires, il est donc possible d’effectuer des réactions de la cascade dans un seul récipient fashion^4,5.

Aminoalcools chiraux sont des molécules polyvalents pour une utilisation comme auxiliaires ou des échafaudages en synthèse organique⁶. La portion d’alcool aminé est fréquemment trouvée dans les métabolites secondaires et dans les ingrédients pharmaceutiques actifs (API). Β-aminoalcools primaires sont facilement disponibles auprès des acides α-aminés correspondantes par synthèse chimique conventionnelle, mais l’accès à γ-aminoalcools chiraux ou aminoalcools secondaires nécessite souvent fastidieux parcours synthétiques ainsi que de sensibles contrôle de la stéréochimie^7,8,9,10. En raison de sa grande stéréosélectivité, biocatalyse peut fournir une voie de synthèse supérieure à ces briques chiraux^11,12,13,14.

Nous avons déjà indiqué la synthèse des mono – et di-hydroxy-L-lysines par diastéréosélective hydroxylation enzymatique catalysée par dioxygénases du fer (II) / dépendante de le α-cétoacide famille oxygénase (αKAO) (Figure 1)¹⁵. En particulier, à partir de L-lysine, le KDO1 dioxygénase catalyse la formation du (3S) – dérivé hydroxylé (1), tandis que les 4R– dérivé (2) est formé par la réaction avec KDO2 dioxygénase. Hydroxylations successives regiodivergent par KDO1 et KDO2 conduisent à la formation des (3R, 4R) – dihydroxy – L-lysine (3) sous forme optiquement pure. Cependant, la gamme limitée de substrat de ces enzymes empêche leur grande utilisation en synthèse chimique, en particulier dans l’hydroxylation des amines simples, une portion d’acide carboxylique en position α du groupe amino est essentielle pour l’activité¹⁶.

Figure 1 : conversions biocatalytiques de L-lysine. Conversion en (3S) – hydroxy – L-lysine (1) catalysée par la KDO1 dioxygénase ; (4R)– hydroxy – L-lysine (2) catalysée par KDO2 dioxygénase ; et 3R, 4R– dihydroxy – L-lysine (3) par réaction en cascade catalysée successivement par KDO1 et KDO2 dioxygénases. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Décarboxylation est une réaction commune au métabolisme¹⁷. En particulier, les acides aminés DCs (EC 4.1.1) sont exemptes de cofacteur (pyruvoyl-dépendante) ou enzymes PLP-dépendantes et catalyser la décarboxylation des acides aminés dans les polyamines correspondants chez les bactéries et supérieur organismes^{18,19 , 20 , 21 , 22}. les mono – et dihydroxy composés (Figure 3) 4–7, 10–11 correspondent aux hydroxylés cadavérine, la diamine obtenue par décarboxylation de la L-lysine. La cadavérine est une composante clée pour l’industrie chimique, plus précisément, c’est un composant de polymères polyamide et polyuréthane. Par conséquent, production bio de cette diamine provenant de ressources renouvelables a attiré l’attention comme une alternative à la route à base de pétrole, et divers micro-organismes ont été conçus à cet effet. Dans ces voies métaboliques, lysine DC (PMA) est l’enzyme clé. PMA est une enzyme dépendante du PLP, appartenant à la famille alanine racémase (AR) structurel²³. Les contrôleurs de domaine de PLP-dépendantes (PLP-DCs) sont connus pour être fortement axée sur le substrat. Cependant, quelques enzymes possèdent la capacité de la promiscuité légère, étant actif vers acides aminés aussi bien L-lysine et L-ornithine, comme par exemple la PMD à partir de Selenomonas rumirantium (LDC_Srum), qui a des constantes cinétiques similaires pour lysine et ornithine décarboxylation^24,25. Ce substrat étendu spécificité fait cette enzyme un bon candidat pour la décarboxylation des mono – et di-hydroxy-L-lysine. En outre, pour trouver DCs active vers les dérivés hydroxyles de lysine, nous avons examiné le contexte génomique des gènes codant les enzymes αKAO. En effet, dans les génomes procaryotes les gènes codant les enzymes impliquées dans la biosynthèse des même sont généralement conjointement localisés dans des groupes de gènes. Le gène KDO2 (à partir de Chitinophaga pinensis) a été trouvé Co localisé avec un gène codant putatif PLP-DC (Figure 2). En revanche, aucun gène codant la DC n’a été trouvé en analysant le contexte génomique de la dioxygénase KDO1. La protéine PLP-DC de c. pinensis (DC_Cpin) fut donc choisie comme un candidat prometteur pour catalyser l’étape de la décarboxylation de la réaction en cascade.

Figure 2 : contexte génomique du gène KDO2 dans c. pinensis. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Par conséquent, nous avons conçu des réactions enzymatiques cascade dioxygénases et DCs pour réaliser la synthèse d’alcools aliphatiques chiraux β – et γ-amino acides aminés (Figure 3). Comme indiqué précédemment, l’oxydation de C-H, catalysée par la αKAO introduit le centre stéréogène substituant hydroxy avec diastéréosélectivité total ; la chiralité Cβ/γ est préservée dans l’étape décarboxylante, qui affecte uniquement le carbone Cα des acides aminés portion¹⁶.

Figure 3 : analyse rétrosynthétique. Retrosynthesis (A) de β – et γ-aminoalcools (R) – 1, 5 – diaminopentan-2-ol (4) (5R) – hydroxy – L-Lysine et le (S) – 1, 5 – diaminopentan-2-ol (5) et 1, 5-diaminopentan-3-ol (6) de L-lysine. (B) Retrosynthesis de β, γ et β, δ-amino diols (2S, 3S) – 1, 5 – diaminopentane-2, 3-diol (10) et (2R, 4S) – 1,5 – diaminopentane-2, 4-diol (11) à partir de (5R)- hydroxy-L-lysine et 2R, 3R– 1,5 – diaminopentane-2, 3-diol (7) à partir de L-lysine. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

À partir de L-lysine et ses 5R-dérivé hydroxylé, nous rapportons ici un deux/trois étape, un pot, procédure enzymatique combinant dioxygénases et PLP-DCs pour obtenir la cible aminoalcools. Avant la synthèse à l’échelle du laboratoire des molécules cibles, la méthode a été développée à l’échelle analytique pour ajuster les conditions de réaction, par exemple, les concentrations de l’enzyme, nécessaires pour permettre la conversion complète de produits de départ ; Nous présentons cette procédure aussi bien.