Biokatalyse chemisch betrachtet : Fallstudien aus der technischen- und aus der Labor-Synthese

Abstract

Die Biochemie ist ein vergleichsweise junger Zweig der Chemie, obwohl sie schon seit Jahrtausenden vom Menschen im täglichen Gebrauch eingesetzt wird. Möchte man die Werkzeuge der Biochemie auf aktuelle chemische Fragestellungen anwenden wird die Dominanz der biologischen Sichtweise auf diesem Gebiet deutlich. In dieser Arbeit wurden biochemische Projekte mit Verbesserungspotential durch organisch chemische Herangehensweise optimiert. Werden bei einer Synthese die sekundären Parameter, z.B. die Nachhaltigkeit oder Reaktionssicherheit, auf Kosten der primären Parameter wie Ausbeute oder Reaktionsdauer verbessert oder leidet die generelle Effektivität einer Reaktion, besteht Handlungsbedarf. Da die biochemische Rifamycin S-Synthese durch die Verwendung eines aufwendigen Oxidationsmittels, der Meerrettichperoxidase, zwar nachhaltig aber nicht mehr effizient von statten ging, wurden Alternativen dazu aufgezeigt und optimiert. Die vorgestellte Oxidation von Rifamycin B zu Rifamycin O und dessen direkte Hydrolyse büßte nichts an Effektivität gegenüber dem bestehenden Prozesses ein und gewann dennoch ein hohes Maß an Nachhaltigkeit dazu. In einem weiteren Projekt wurde die biochemische Reduktion aktivierter C=C-Doppelbindungen vom organisch-chemischen Standpunkt aus betrachtet. Für diese Reaktion, basierend auf der Reduktion des Enzym-Flavins durch NADH-Cofaktoren, wurden NADH analoge Cofaktoren synthetisiert. Die von Hammett beschriebenen Substituenten-Effekte konnten hierbei für das elektrochemische Potential der synthetischen Cofaktoren gezeigt werden. Darüber hinaus konnte ein Cofaktor entwickelt werden mit dem die enzymatische Reduktion zehn Mal schneller als mit dem natürlichen Cofaktor möglich war. Eine weitere Anwendung fand diese Sichtweise bei der Betrachtung enzymatisch katalysierter Carbenreaktionen. Für die NH-Insertion konnte das Substratspektrum deutlich erweitert, sowie gänzlich neue Stoffklassen zur Reaktion gebracht werden. Dabei wurde ein Set neuer E.coli-eigener Proteine, die zur Katalyse von Carbenreaktionen geeignet sind, entdeckt. Die wohl bedeutendste Entdeckung dieser Arbeit ist die Protein-unterstütze Carbonyl-Olefinierung mit Carbenen. Die Durchführbarkeit dieser Reaktion mit E.coli Proteinen könnte die Grundlage zu einer biologischen und nachhaltigen Anwendung der Wittig-artigen Carbonyl Olefinierung sein. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine chemisch inspirierte Biologie ebenso interessant ist wie der umgekehrte häufiger angewandte Fall. Für das Feld der synthetischen Biologie ist dies ein wichtiger Fingerzeig für zukünftigeOptimierungsansätze.

The biochemistry is a comparatively young area in chemistry although it has been used by mankind since centuries. When the tools of biochemistry are applied to current chemical questions the dominant biological view becomes apparent. In this work three case studies of chemical optimisation of biochemical reactions have been made. If a synthesis is made ecologically sustainable but therefore lacks efficiency due to low yield and selectivity, actions have to been taken. An example is the biochemical production of rifamycin S from rifamycin B. The enzymatic reaction was performed with the enzyme horseradish peroxidase to substitute the non-sustainable industrial reaction with hydrochloric acid in chlorinated solvents. This enzymatic reaction, however, is economically and therefore also ecologically inefficient and therefore not competitive with the current industrial process. Cheaper and readily available oxidation reagents than enzymes have been tested in a process thereby avoiding chlorinated solvents. Within this work I was able to show the oxidation of rifamycin B with ammonia persulfate to rifamycin O and the subsequent hydrolysis to rifamycin S in methanol without the loss of efficiency relative to the currently employed industrial process. In another case study the enzymatic reduction of activated C=C double bonds have been investigated from a chemists point of view. This reaction is based on the reduction of a prosthetic flavin in the active site of the ene-reductase enzyme via the nicotinamide cofactor NADH. The reaction optimisation was realised by the synthesis of several synthetic nicotinamide cofactors to vary the electrochemical potential of these derivatives. It was demonstrated that the substituent effects described by Hammett correlated to the electrochemical potential of the synthetic cofactors. With this strategy a novel cofactor with a tenfold accelerated reaction speed relative to NADH was identified. A third application of the chemical approach was shown for enzyme catalysed carbene reactions. The carbene insertion into NH bonds was limited to aromatic amines using the haem containing enzyme P450. By employing haem-containing proteins from E.coli the substrate scope was broadened for aliphatic NH-insertions as well as O-H-insertions. The probably most significant discovery in this work is the protein supported carbonyl olefination with carbenes. The feasibility of this reaction with E.coli proteins could be the foundation for a biological and sustainable application of the wittig-type carbonyl olefination. Within the scope of this work it was shown that a chemically inspired biology is an useful approach for the optimisation of processes in for the industrial and lab scale as well as the development of new reactions. For the field of synthetic biology the consideration from this chemical angle could be an important point for future optimisations.