Reações Enzimáticas em Cascata para a Síntese de Aminoálcoois Quirais a partir de L-lisina

Apesar dos benefícios oferecidos por biocatálise, a integração das etapas biocatalytic em vias sintéticas ou rotas biocatalytic totais permanece na sua maioria limitada a resoluções de cinéticas enzimáticas. Estas rotas têm sido amplamente utilizadas como um primeiro passo na síntese assimétrica de quimio-enzimático, mas biocatálise oferece muitas possibilidades mais no grupo funcional interconversões com elevada estereosseletividade^1,2,3 . Além disso, como reações de biocatalytic são realizadas em condições similares, portanto, é viável para realizar reações em cascata em uma moda de um pot-^4,5.

Quirais aminoácidos álcoois são moléculas versátil para uso como auxiliares ou andaimes em síntese orgânica⁶. O grupo amino álcool é frequentemente encontrado em metabólitos secundários e em ingredientes farmacêuticos ativos (API). Álcoois primários β-amino estão prontamente disponíveis a partir dos correspondentes ácidos α-amino por síntese química convencional, mas o acesso para álcoois quirais de γ-amino ou álcoois secundários aminoácidos requer muitas vezes tediosas vias sintéticas junto com sensível controle da estereoquímica^7,8,9,10. Devido à sua elevada estereosseletividade, biocatálise pode fornecer uma rota sintética superior a esses blocos de construção quirais^11,12,13,14.

Nós relatamos anteriormente a síntese de mono – e di-hidroxi-L-lisinas por diastereoselective hidroxilação enzimática catalisada por dioxygenases do ferro (II) / α-ketoacid-dependente família oxigenase (αKAO) (Figura 1)¹⁵. Em particular, a partir de L-lisina, a dioxigenase KDO1 catalisa a formação doS(3) – hidroxi derivado (1), enquanto o (R. 4) – derivado (2) é formado pela reação com dioxigenase KDO2. Sucessivas regiodivergent hydroxylations por KDO1 e KDO2 levam à formação doR, 4R(3) – dihidroxi – L-lisina (3) na forma opticamente pura. No entanto, a gama limitada de substrato destas enzimas impede sua grande utilização na síntese química, especialmente na hidroxilação de aminas simples, como um moiety ácido carboxílico em posição α do grupo amino é essencial para a atividade¹⁶.

Figura 1: Biocatalytic conversões de L-lisina. Conversão em (3S) – hidroxi – L-lisina (1) catalisada por KDO1 dioxigenase; (4R) – hidroxi – L-lisina (2) catalisada por KDO2 dioxigenase; e 3R, 4R– dihidroxi – L-lisina (3) pela reação em cascata sucessivamente catalisada por dioxygenases KDO1 e KDO2. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Descarboxilação é uma reação comum no metabolismo¹⁷. Em particular, aminoácido DCs (CE 4.1.1) está livre de cofator (pyruvoyl-dependente) ou enzimas PLP-dependentes e catalisar a descarboxilação de aminoácidos para as correspondentes poliaminas em bactérias e maior organismos^{18,19 , 20 , 21 , 22}. o mono – e compostos (Figura 3) 4–7, 10–11 correspondem a cadaverina hidroxilada, a diamina obtida pela descarboxilação da L-lisina. Cadaverina é um bloco de construção fundamental para a indústria química, especificamente é um componente de polímeros de poliamida e poliuretano. Portanto, produção de base biológica desta diamina partir de recursos renováveis tem atraído a atenção como uma alternativa à rota do petróleo-baseados, e vários microorganismos têm foi projetados para essa finalidade. Estas vias metabólicas, lisina DC (PMD) é a enzima chave. LDC é uma enzima PLP-dependentes pertencentes ao alanina racemase (AR) estruturais família²³. Os DCs PLP-dependentes (PLP-DCs) são conhecidas por serem altamente específicas do substrato. No entanto, algumas enzimas possuem a capacidade de promiscuidade ligeira, sendo ativo no sentido de aminoácidos L-ornitina e L-lisina, como por exemplo o LDC de Selenomonas rumirantium (LDC_Srum), que tem similares constantes cinéticas para lisina e ornitina descarboxilação^24,25. Este substrato estendido especificidade desta enzima faz com que um bom candidato para a descarboxilação de mono – e di-hidroxi-L-lisina. Além disso, para localizar DCs ativo para os derivados de hidroxila de lisina, examinamos o contexto genômico dos genes que codificam as enzimas αKAO. Com efeito, em genomas procariontes os genes que codificam enzimas envolvidas na via biossintética mesma são geralmente co localizados em clusters de gene. O gene KDO2 (de Chitinophaga pinensis) foi encontrado co localizados com um gene que codifica o putativo PLP-DC (Figura 2). Em contraste, nenhuma codificação de gene para DC foi encontrado quando se analisa o contexto genômico da dioxigenase KDO1. A proteína do PLP-DC de c. pinensis (DC_negras), portanto, foi selecionada como um candidato promissor para catalisar o passo de descarboxilação da reação em cascata.

Figura 2: contexto genômico do gene KDO2 em c. pinensis. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Consequentemente, nós projetamos as reações enzimáticas da cascata envolvendo dioxygenases e DCs para atingir a síntese de álcoois alifáticos quiral β e γ-amino de aminoácidos (Figura 3). Como relatado anteriormente, a oxidação de C-H catalisada pela αKAO apresenta o centro estereogênico hidroxi-substituídos com diastereoseletividade total; a quiralidade Cβ/γ será preservada na etapa de dimerização, que afeta somente o carbono Cα do ácido aminado moiety¹⁶.

Figura 3: análise Retrosynthetic. (A) Retrosynthesis de β e γ-amino álcoois (R) – 1,5 – diaminopentan-2-ol (4) (5R) – hidroxi – L-lisina e (S) – 1,5 – diaminopentan-2-ol (5) e 1,5-diaminopentan-3-ol (6) de L-lisina. (B) Retrosynthesis de β, γ e β, δ-amino dióis (2S, 3S) – 1,5 – diaminopentane-2,3-diol (10) e 2R, 4S– 1,5 – diaminopentane-2,4-diol (11) a partir de (R. 5)- hidroxi-L-lisina e 2R, 3R– 1,5 – diaminopentane-2,3-diol (7) a partir de L-lisina. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A partir de L-lisina e seus (5R)-hidroxi derivado, nós relatamos aqui um dois/três passo, um pote, procedimento enzimático combinando dioxygenases e PLP-DCs para obter o destino aminoácidos álcoois. Antes da síntese em escala de laboratório das moléculas do alvo, o método foi desenvolvido em escala analítica para ajustar as condições de reação, por exemplo, as concentrações de enzima, necessárias para permitir que a conversão completa das matérias-primas; apresentamos este procedimento também.