Enzymatische Cascade reacties voor de synthese van chirale Amino alcoholen van L-lysine

Ondanks de voordelen aangeboden door biokatalyse, blijft de integratie van biokatalytische stappen in synthetische trajecten of totale Biokatalytische routes meestal beperkt tot enzymatische kinetische resoluties. Deze routes hebben op grote schaal gebruikt als een eerste stap in asymmetrische chemo-enzymatische reacties, maar biokatalyse biedt veel meer mogelijkheden in functionele groep interconversies met hoge stereoselectiviteit^1,2,3 . Bovendien, zoals Biokatalytische reacties zijn uitgevoerd in vergelijkbare omstandigheden, daarom is het haalbaar is voor het uitvoeren van trapsgewijze reacties in een één-pot mode^4,5.

Chirale amino alcoholen zijn veelzijdige moleculen voor gebruik als assistenten of steigers in organische synthese⁶. De amino alcohol deel daarvan wordt vaak gevonden in secundaire metabolieten en in actieve farmaceutische ingrediënten (API). Primaire β-amino alcoholen zijn gemakkelijk beschikbaar van de bijbehorende α-aminozuren door conventionele chemische synthese, maar toegang tot chirale γ-amino alcoholen of secundaire amino alcoholen vereist vaak vervelend synthetische trajecten samen met gevoelige controle van de stereochemie^7,8,9,10. Als gevolg van de hoge stereoselectiviteit, kan biokatalyse bieden een superieure synthetische route naar deze chirale bouwstenen^11,12,13,14.

We eerder gemeld de synthese van mono – en di-hydroxy-L-lysines door enzymatische hydroxylatie diastereoselective gekatalyseerd door dioxygenases van het ijzer (II) / α-ketoacid-afhankelijke oxygenase familie (αKAO) (Figuur 1)¹⁵. In het bijzonder vanaf L-lysine, de KDO1 dioxygenase katalyseert de vorming van de (3S) – hydroxy derivaat (1), terwijl de (4R) – derivaat (2) wordt gevormd door de reactie met KDO2 dioxygenase. Opeenvolgende regiodivergent hydroxyleringen door KDO1 en KDO2 leiden tot de vorming van de (3R, 4R) – dihydroxy – L-lysine (3) in optisch zuivere vorm. Het bereik van de beperkte substraat van deze enzymen belemmert echter hun grote gebruik in de chemische synthese, met name in de hydroxylatie van eenvoudige amines, zoals een carbonzuur deel daarvan in de α-positie van de aminogroep essentieel voor de activiteit^{16 is}.

Figuur 1: Biokatalytische conversies van L-lysine. Omzetting in (3S) – hydroxy – L-lysine (1) gekatalyseerd door KDO1 de dioxygenase; (4R) – hydroxy – L-lysine (2) gekatalyseerd door KDO2 de dioxygenase; en 3R, 4R– dihydroxy – L-lysine (3) door cascade-reactie achtereenvolgens gekatalyseerd door KDO1 en KDO2 dioxygenases. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Decarboxylering is een gemeenschappelijke reactie in metabolisme¹⁷. In het bijzonder, aminozuur DCs (EG 4.1.1) cofactor-vrij (pyruvoyl-afhankelijk) of PLP-afhankelijke enzymen en katalyseren de decarboxylering van aminozuren in de overeenkomstige polyaminen in bacteriën en hogere organismen^{18,19 , 20 , 21 , 22}. het mono- en dihydroxy verbindingen (Figuur 3) 4–7, 10–11 correspondeert gehydroxyleerde cadaverine, de diamine verkregen door decarboxylering van L-lysine. Cadaverine is een belangrijke bouwsteen voor de chemische industrie, specifiek zijn een onderdeel van polyamide en polyurethaan polymeren. Daarom, bio-gebaseerde productie deze orthofenyleendiamine uit hernieuwbare bronnen heeft de aandacht getrokken als alternatief voor de aardolie gebaseerde route en verschillende micro-organismen hebben ontworpen voor dit doel. In deze stofwisselingsroutes is lysine DC (LDC) het belangrijkste enzym. LDC is een PLP-afhankelijke enzym die behoren tot de alanine racemase (AR) structurele familie²³. De PLP-afhankelijke DCs (PLP-DCs) staan bekend als zeer substraat-specifieke. Echter, een paar enzymen eigen het vermogen van lichte promiscuïteit, het actief naar de aminozuren L-ornithine zowel L-lysine, als bijvoorbeeld de LDC van Selenomonas rumirantium (LDC_Srum), die heeft soortgelijke kinetische constanten voor lysine en ornithine decarboxylering^24,25. Dit uitgebreide substraat specificiteit maakt dit enzym een goede kandidaat voor de decarboxylering van mono – en di-hydroxy-L-lysine. Daarnaast vind je DCs actief naar de hydroxyl-afgeleiden van lysine, onderzochten we de genomic context van de genen coderend voor de αKAO enzymen. Inderdaad, in prokaryotische genomen de genen coderend voor enzymen die betrokken zijn bij de dezelfde biosynthetic traject zijn over het algemeen mede gelokaliseerd in gen clusters. Het gen KDO2 (vanaf Chitinophaga pinensis) werd gevonden samen met een codering van vermeende PLP-DC (Figuur 2) gen gelokaliseerd. Daarentegen is geen gene codering voor DC gebleken bij het analyseren van de genomic context van de KDO1 dioxygenase. Het eiwit PLP-DC van C. pinensis (DC_Cpin) werd daarom gekozen een veelbelovende kandidaat te katalyseren de decarboxylering stap van de cascade-reactie.

Figuur 2: Genomic context van KDO2 gen in C. pinensis. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Dus ontworpen we trapsgewijs enzymatische reacties met dioxygenases en DCs te bereiken van de synthese van alifatische chirale β – en γ-amino alcoholen van aminozuren (Figuur 3). Zoals eerder gemeld introduceert de oxidatie van de C-H gekatalyseerd door de αKAO de hydroxy-gesubstitueerde stereogenic center met totale diastereoselectivity; de Cβ/γ chiraliteit zal worden bewaard in de decarboxylative stap, die alleen van invloed op de koolstof van de Cα van het aminozuur groep¹⁶.

Figuur 3: analyse van Retrosynthetic. (A) Retrosynthese analyse van β – en γ-amino alcoholen (R) – 1,5 – diaminopentan-2-ol (4) (5R) – hydroxy – L-Lysine, en (S) – 1,5 – diaminopentan-2-ol (5) en 1,5-diaminopentan-3-ol (6) uit L-lysine. (B) Retrosynthese analyse van β, γ- en δ-amino diolen (2S, 3S), β – 1,5 – diaminopentane-2,3-diol (10) en (2R, 4S) – 1,5 – diaminopentane-2,4-diol (11) vanaf (5R)- Hydroxy-L-lysine, en 2R, 3R– 1,5 – diaminopentane-2,3-diol (7) vanaf L-lysine. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Vanaf L-lysine en haar 5R-hydroxy derivaat, rapporteren we hierin een twee/drie stap één pot, enzymatische procedure combineren dioxygenases en PLP-DCs te verkrijgen het doel amino alcoholen. Voorafgaande de synthese duurzaame laboratorium van de moleculen van het doel, de methode is ontwikkeld op de analytische schaal aan te passen de voorwaarden van de reactie, bijvoorbeeld, de concentraties van het enzym, nodig om volledige conversie van de grondstoffen; presenteren wij deze procedure zo goed.