Enzymatisk Cascade reaktioner til syntese af Chiral Amino alkoholer fra L-lysin

Trods de fordele, der tilbydes af biocatalysis, stadig integration af biocatalytic trin i syntetisk veje eller samlede biocatalytic ruter for det meste begrænset til enzymatisk kinetic resolutioner. Disse ruter er blevet bredt anvendt som et første skridt i asymmetriske kemo-enzymatisk syntese, men biocatalysis tilbyder mange flere muligheder i den funktionelle gruppe interconversions med høj stereoselectivity^1,2,3 . Desuden som biocatalytic reaktioner er gennemført under lignende forhold, er det derfor muligt at udføre cascade reaktioner i et en-pot mode^4,5.

Chiral amino alkoholer er alsidige molekyler til brug som medhjælpere eller stilladser i organisk syntese⁶. Amino alkohol-gruppe er ofte fundet i sekundære metabolitter og aktive farmaceutiske ingredienser (API). Primære β-amino alkoholer er let tilgængelige fra de tilsvarende α-aminosyrer af konventionelle kemisk syntese, men adgang til chiral γ-amino alkoholer eller sekundære amino alkoholer kræver ofte trættende syntetiske veje samt følsomme kontrol af stereokemi^7,8,9,10. På grund af sin høje stereoselectivity, kan biocatalysis give en overlegen syntesevejen til disse chiral byggesten^11,12,13,14.

Vi har tidligere rapporteret syntese af mono – og di-hydroxy-L-lysines af diastereoselective enzymatisk hydroxylering katalyseret af dioxygenases af jern (II) / α-ketosyre-afhængige oxygenase familie (αKAO) (figur 1)¹⁵. Navnlig, startende fra L-lysin, KDO1 dioxygenase katalyserer dannelsen af (3S) – hydroxy afledte (1), mens (4R) – derivat (2) er dannet ved reaktion med KDO2 dioxygenase. Successive regiodivergent hydroxylations af KDO1 og KDO2 føre til dannelsen af (3R, 4R) – dihydroxy – L-lysin (3) i optisk ren form. Dog hindrer begrænset substrat vifte af disse enzymer deres store udnyttelse i kemisk syntese, især i hydroxylering af simple aminer, som en carboxylsyre gruppe i α-stilling aminogruppen er afgørende for aktivitet¹⁶.

Figur 1: Biocatalytic konverteringer af L-lysin. Omregning til (3S) – hydroxy – L-lysin (1) katalyseret af KDO1 dioxygenase; (4R) – hydroxy – L-lysin (2) katalyseret af KDO2 dioxygenase; og (3R, 4R) – dihydroxy – L-lysin (3) af cascade reaktion katalyseret successivt ved KDO1 og KDO2 dioxygenases. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Decarboxylation er en fælles reaktion i metabolisme¹⁷. Især aminosyren DCs (EC 4.1.1) er fri for cofaktor (pyruvoyl-afhængige) eller PLP-afhængige enzymer, og katalyserer decarboxylation af aminosyrer i de tilsvarende polyaminer i bakterier og højere organismer^{18,19 , 20 , 21 , 22}. mono- og dihydroxy forbindelser (figur 3) 4–7, 10–11 svarer til hydroxyleret cadaverine, diamin fremstillet ved decarboxylation af L-lysin. Cadaverine er en vigtig byggesten i den kemiske industri, specielt det er en komponent af polyamid og polyurethan polymerer. Derfor biobaseret produktion af denne diamin fra vedvarende ressourcer har tiltrukket sig opmærksomhed som et alternativ til ruten oliebaserede, og forskellige mikroorganismer har været udviklet til dette formål. I disse metaboliseringsveje er lysin DC (LDC) det vigtigste enzym. LDC er en PLP-afhængige enzym tilhører den alanin racemase (AR) strukturelle familie²³. PLP-afhængige DCs (PLP-DCs) er kendt for at være meget substrat-specifikke. Men et par enzymer egen evne til lille promiskuitet, være aktiv mod både L-ornithin og L-lysin aminosyrer, som for eksempel LDC fra Selenomonas rumirantium (LDC_Srum), som har lignende kinetiske konstanter for Lysin og ornithin decarboxylation^24,25. Denne udvidede substrat specificitet gør dette enzym en god kandidat til decarboxylation af mono – og di-hydroxy-L-lysin. Derudover for at finde DCs aktive mod hydroxyl derivater af lysin, undersøgte vi genomisk forbindelse med generne kodning αKAO enzymer. Faktisk, i prokaryote genomer gener kodning enzymer involveret i den samme biosyntetiske pathway er generelt Co er lokaliseret i gen klynger. KDO2 (fra Chitinophaga pinensis) genet blev fundet Co lokaliseret med et gen, der koder formodede PLP-DC (figur 2). Derimod er ingen gen kodning for DC blevet fundet når analyserer genomisk forbindelse med KDO1 dioxygenase. PLP-DC protein fra C. pinensis (DC_Cpin) blev derfor udvalgt som lovende kandidat til at katalysere decarboxylation skridt af cascade reaktion.

Figur 2: genomisk kontekst af KDO2 gen i C. pinensis. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Derfor, vi designet enzymatisk cascade reaktion, der involverer dioxygenases og DCs at opnå syntesen af alifatiske chiral β – og γ-amino alkoholer fra aminosyrer (figur 3). Som tidligere rapporteret introducerer C-H oxidation katalyseret af αKAO hydroxy-substituerede stereogenic center med total diastereoselectivity; Cβ/γ chiralitet vil blive bevaret i decarboxylative trin, som kun påvirker Cα carbon aminosyre gruppe¹⁶.

Figur 3: retrosyntetiske analyse. (A) Retrosynthesis af β – og γ-amino alkoholer (R) – 1,5 – diaminopentan-2-ol (4) (5R) – hydroxy – L-lysin, og (S) – 1,5 – diaminopentan-2-ol (5) og 1,5-diaminopentan-3-ol (6) fra L-lysin. (B) Retrosynthesis af β-, γ- og β, δ-amino dioler (2S, 3S) – 1,5 – diaminopentane-2,3-diol (10) og (2R, 4S) – 1,5 – diaminopentane-2,4-diol (11) startende fra (5R)- hydroxy-L-lysin, og (2R, 3R) – 1,5 – diaminopentane-2,3-diol (7) med udgangspunkt i L-lysin. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Start fra L-lysin og dens (5R)-hydroxy derivat, vi heri rapport en to/tre trin, en pot, enzymatisk procedure kombinerer dioxygenases og PLP-DCs at opnå målet amino alkoholer. Forudgående syntese på laboratoriet omfanget af målmolekyler, metoden er udviklet af den analytiske skala til at justere reaktionsbetingelser, fx, enzym koncentrationer, forpligtet til at tillade fuld konvertering af udgangsmaterialer; Vi præsenterer denne procedure.