Enzymatisk Cascade reaksjoner for syntese av Chiral Amino alkoholer fra L-lysine

Til tross for fordelene med biocatalysis, fortsatt integrering av biocatalytic trinnene i syntetisk veier eller totale biocatalytic ruter stort sett begrenset til enzymatisk kinetic oppløsninger. Disse rutene brukt mye som et første skritt i asymmetrisk chemo-enzymatisk syntese, men biocatalysis tilbyr mange flere muligheter i funksjonsgruppe interconversions med høy stereoselectivity^1,2,3 . Videre som biocatalytic reaksjoner er gjennomført under like forhold, er det derfor mulig å utføre gjennomgripende reaksjoner i en en-potten mote^4,5.

Chiral amino alkoholer er allsidig molekyler for bruk som hjelpeforetak eller stillaser i Organisk syntese⁶. Amino alkohol moiety er ofte funnet i sekundære metabolitter og aktive farmasøytiske råvarer (API). Primære β-amino alkoholer er lett tilgjengelig fra de tilsvarende α-aminosyrer konvensjonelle syntese, men tilgang til chiral γ-amino alkoholer eller sekundær amino alkoholer krever ofte kjedelig syntetiske veier med følsom kontroll av stereokjemi^7,8,9,10. På grunn av sin høye stereoselectivity, kan biocatalysis tilby en førsteklasses syntetisk rute til disse chiral byggesteinene^11,12,13,14.

Vi har tidligere rapportert syntesen av mono – og di-hydroxy-L-lysines av diastereoselective enzymatisk hydroksylering katalysert av dioxygenases av jern (II) / α-ketoacid-avhengige oxygenase familie (αKAO) (figur 1)¹⁵. Spesielt fra L-lysin, KDO1 dioxygenase gir dannelsen av (3S) – hydroxy derivat (1), mens (4R) – derivat (2) dannes ved reaksjon med KDO2 dioxygenase. Etterfølgende regiodivergent hydroxylations av KDO1 og KDO2 føre til dannelse av (3R, 4R) – dihydroxy – L-lysine (3) i optisk ren form. Imidlertid hindrer begrenset substrat rekke disse enzymene stor utnyttelse i syntese, spesielt i hydroksylering av enkel aminer, som en karboksylsyre moiety i α-posisjonen av amino-gruppen er avgjørende for aktivitet¹⁶.

Figur 1: Biocatalytic konverteringer av L-lysine. Konvertering til (3S) – hydroxy – L-lysine (1) katalysert av KDO1 dioxygenase; (4R) – hydroxy – L-lysine (2) katalysert av KDO2 dioxygenase; og (3R, 4R) – dihydroxy – L-lysine (3) av gjennomgripende reaksjon katalysert suksessivt av KDO1 og KDO2 dioxygenases. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Dekarboksylering er en vanlig reaksjon i stoffskiftet¹⁷. Spesielt aminosyre DCs (EC 4.1.1) er kofaktor-fri (pyruvoyl-avhengige) eller PLP-avhengige enzymer, og katalysere dekarboksylering av aminosyrer i de tilsvarende polyaminer bakterier og høyere organismer^{18,19 , 20 , 21 , 22}. mono- og dihydroxy forbindelser (Figur 3) 4–7, 10–11 tilsvarer hydroxylated cadaverine, diamine ved dekarboksylering av L-lysine. Cadaverine er en viktig byggekloss for kjemisk industri, spesielt det er en del av polyamid og polyuretan polymerer. Derfor bio-basert produksjon av denne diamine fra fornybare ressurser vakte oppmerksomhet som et alternativ til oljebaserte ruten, og ulike mikroorganismer har blitt utviklet for dette formålet. I disse metabolske veier er lysin DC (LDC) nøkkel enzymet. LDC er et PLP-avhengige enzym tilhører alanin racemase (AR) strukturelle familie²³. PLP-avhengige DCs (PLP-DCs) er kjent for å være svært substrat-spesifikke. Men noen enzymer eier evnen til liten promiskuitet, å være aktiv mot både L-ornithine og L-lysine aminosyrer, som for eksempel LDC fra Selenomonas rumirantium (LDC_Srum), som har lignende kinetic konstanter for lysin og ornithine dekarboksylering^24,25. Dette utvidet underlaget spesifisitet gjør dette enzymet en god kandidat for dekarboksylering av mono – og di-hydroxy-L-lysine. I tillegg vil finne DCs aktive mot hydroksyl derivater av lysin, undersøkte vi genomisk sammenheng med genene som koder αKAO enzymer. Faktisk i prokaryote genomer er genene koding enzymer som er involvert i samme biosyntetiske veien generelt Co lokalisert i genet klynger. KDO2 (fra Chitinophaga pinensis) genet ble funnet Co lokalisert med et gen koding antatte PLP-DC (figur 2). Derimot har ingen genet koding for DC funnet når du analyserer genomisk sammenheng med KDO1 dioxygenase. PLP-DC protein fra C. pinensis (DC_Cpin) ble derfor valgt som en lovende kandidat å katalysere det dekarboksylering trinnet i cascade reaksjonen.

Figur 2: Genomic sammenheng med KDO2 gene i C. pinensis. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Derfor designet vi enzymatisk gjennomgripende reaksjoner involverer dioxygenases og DCs å oppnå syntesen av alifatisk chiral β – og γ-amino alkoholer fra aminosyrer (Figur 3). Som tidligere rapportert introduserer C-H oksidasjon katalysert av αKAO AHA-substituert stereogenic sentrum med totalt diastereoselectivity; Cβ/γ chiralitet beholdes i decarboxylative trinn som påvirker bare Cα karbon aminosyre moiety¹⁶.

Figur 3: Retrosynthetic analyse. (A) Retrosynthesis av 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-lysine. (B) Retrosynthesis β, γ – og β, ses-amino diols (2S, 3S) – 1,5 – diaminopentane-2,3-diol (10) og (2R, 4S) – 1,5 – diaminopentane-2,4-diol (11) starter fra (5R)- Aha-L-lysine og (2R, 3R) – 1,5 – diaminopentane-2,3-diol (7) starter fra L-lysine. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Fra L-lysine og dens (5R)-hydroxy derivat, vi rapporterer her en to/tre trinn, en pott, enzymatisk prosedyren dioxygenases og PLP-DCs å få målet amino alkoholer. Før syntese på laboratoriet skalaen av målet molekyler, metoden ble utviklet i analytisk skala justere reaksjonen forhold, f.eks, enzym konsentrasjonen, må tillate full konvertering av Start; Vi presenterer denne prosedyren.