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Controlling monoterpene isomerization by guiding challenging carbocation rearrangement reactions in engineered squalene‐hopene cyclases
(2024) Ludwig, Julian; Curado‐Carballada, Christian; Hammer, Stephan C.; Schneider, Andreas; Diether, Svenja; Kress, Nico; Ruiz‐Barragán, Sergi; Osuna, Sílvia; Hauer, Bernhard
The interconversion of monoterpenes is facilitated by a complex network of carbocation rearrangement pathways. Controlling these isomerization pathways is challenging when using common Brønsted and Lewis acid catalysts, which often produce product mixtures that are difficult to separate. In contrast, natural monoterpene cyclases exhibit high control over the carbocation rearrangement reactions but are reliant on phosphorylated substrates. In this study, we present engineered squalene‐hopene cyclases from Alicyclobacillus acidocaldarius (AacSHC) that catalyze the challenging isomerization of monoterpenes with unprecedented precision. Starting from a promiscuous isomerization of (+)‐β‐pinene, we first demonstrate noticeable shifts in the product distribution solely by introducing single point mutations. Furthermore, we showcase the tuneable cation steering by enhancing (+)‐borneol selectivity from 1 % to >90 % (>99 % de) aided by iterative saturation mutagenesis. Our combined experimental and computational data suggest that the reorganization of key aromatic residues leads to the restructuring of the water network that facilitates the selective termination of the secondary isobornyl cation. This work expands our mechanistic understanding of carbocation rearrangements and sets the stage for target‐oriented skeletal reorganization of broadly abundant terpenes.
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Methylation of unactivated alkenes with engineered methyltransferases to generate non‐natural terpenoids
(2023) Aberle, Benjamin; Kowalczyk, Daniel; Massini, Simon; Egler‐Kemmerer, Alexander‐N.; Gergel, Sebastian; Hammer, Stephan C.; Hauer, Bernhard
Terpenoids are built from isoprene building blocks and have numerous biological functions. Selective late-stage modification of their carbon scaffold has the potential to optimize or transform their biological activities. However, the synthesis of terpenoids with a non-natural carbon scaffold is often a challenging endeavor because of the complexity of these molecules. Herein we report the identification and engineering of (S)-adenosyl-l-methionine-dependent sterol methyltransferases for selective C-methylation of linear terpenoids. The engineered enzyme catalyzes selective methylation of unactivated alkenes in mono-, sesqui- and diterpenoids to produce C11, C16 and C21 derivatives. Preparative conversion and product isolation reveals that this biocatalyst performs C-C bond formation with high chemo- and regioselectivity. The alkene methylation most likely proceeds via a carbocation intermediate and regioselective deprotonation. This method opens new avenues for modifying the carbon scaffold of alkenes in general and terpenoids in particular.
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Modifizierte Enzyme ermöglichen die selektive N‐Alkylierung von Pyrazolen unter Verwendung einfacher Halogenalkane
(2021) Bengel, Ludwig L.; Aberle, Benjamin; Egler‐Kemmerer, Alexander‐N.; Kienzle, Samuel; Hauer, Bernhard; Hammer, Stephan C.
Die selektive Alkylierung von Pyrazolen ist eine Herausforderung in der Chemie und könnte die Synthese wichtiger Moleküle vereinfachen. In dieser Arbeit berichten wir über eine katalysatorgesteuerte Alkylierung von Pyrazolen durch eine cyclische Kaskadenreaktion mit zwei Enzymen. In diesem enzymatischen System nutzt ein promiskuitives Enzym Halogenalkane als Ausgangsstoffe, um nicht-natürliche Analoga des Cosubstrats S-Adenosyl-l-Methionin zu synthetisieren. Ein zweites engineertes Enzym überträgt die Alkylgruppen in einer hochselektiven C-N-Bindungsknüpfung auf das Pyrazol-Substrat. Das Cosubstrat wird regeneriert und nur in katalytischen Mengen eingesetzt. Für das Enzym-Engineering wurde eine computerbasierte Methode verwendet, um eine Mutantenbibliothek in silico zu entwickeln. In einer Runde von Mutagenese und Screening wurde somit eine promiskuitive Methyltransferase in eine kleine Pyrazol-alkylierende Enzymfamilie umgewandelt. Mit diesem bienzymatischen System konnte die Alkylierung von Pyrazolen (Methylierung, Ethylierung, Propylierung) mit bislang unerreichter Regioselektivität (>99 %), Regiodivergenz und in einem ersten Beispiel in präparativem Maßstab gezeigt werden.
Open Access
Zur Anwendbarkeit von Squalen-Hopen-Zyklasen als chirale Brønsted-Säuren in der asymmetrischen Katalyse
(2014) Hammer, Stephan C.; Hauer, Bernhard (Prof. Dr.)
Die Anwendung von Enzymen und Mikroorganismen als Katalysatoren in der organischen Synthese hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten als eine ernsthafte Ergänzung zur rein chemischen Katalyse etabliert. Jedoch ist die Bandbreite an biokatalytisch durchführbaren Reaktionen sehr gering. Für eine Vielzahl an synthetisch wertvollen Reaktionen wurden entsprechende Enzyme von der Natur nicht evolviert oder bisher nicht entdeckt. Die Entwicklung solcher Enzyme für die Katalyse nicht-physiologischer chemischer Transformationen ist ein zum größten Teil unerforschtes Arbeitsgebiet. Ein Ansatzpunkt ist die Nutzbarmachung bereits vorhandener enzymatischer Katalysezentren. Dies ist auch von besonders großer Bedeutung, da viele der in der organischen Chemie divers eingesetzten Aktivierungsmodi Bestandteil des enzymatischen Repertoires sind. Jedoch werden diese hoch-entwickelten enzymatischen Katalysezentren von der Natur häufig nur sehr spezialisiert eingesetzt und im Labor nur selten gezielt für nicht-natürliche Reaktionen entwickelt. In diesem Grenzgebiet, zwischen der organischen Synthesechemie und dem Enzymdesign, befindet sich der Fokus der hier vorliegenden Arbeit. Ziel war die Entwicklung einer Plattform für die enzymatische Brønsted-Säure-Katalyse. Dies ermöglicht einen potentiellen biokatalytischen Zugang zu einer Vielzahl an nicht-physiologischen, jedoch synthetisch wertvollen chemischen Transformationen, da die chirale Brønsted-Säure-Katalyse in der organischen Chemie zur Durchführung einer Vielzahl an wichtigen C-C-bindungsknüpfenden Reaktionen verwendet wird. Dieser Ansatz verbindet die leistungsstarke Brønsted-Säure-Katalyse mit den Vorteilen der Biokatalyse, namentlich den oft exzellenten Selektivitäten zusammen mit hohen Aktivitäten basierend auf einer Synthese in Wasser als „grüneres“ Lösungsmittel. Biokatalysatoren sind genetisch kodiert und lassen sich somit mikrobiell synthetisieren und einfach durch genetische Manipulation optimieren. Während die allgemeine Brønsted-Säure-Katalyse bei Enzymen eine wichtige Rolle spielt (z. B. bei der Stabilisierung von Übergangszuständen durch Bildung von Wasserstoffbrücken-bindungen) ist die enzymatische, spezifische Brønsted-Säure-Katalyse nicht beschrieben. Eine Ausnahme bilden hier die Squalen-Hopen-Zyklasen (SHCs), welche die kationische Polyzyklisierung von Squalen zu den pentazyklischen Produkten Hopen und Hopanol katalysieren. Zur Protonierung der terminalen C=C-Bindung des Substrates nutzen SHCs eine Asparaginsäure mit biologisch ungewöhnlich hoher Acidität. Während dieser Doktorarbeit wurde das katalytische Potential dieser einzigartigen Protonierungsmaschinerie studiert. In einem ersten Teil der Arbeit wurde das natürliche Reaktionsspektrum dieses katalytischen Zentrums (ausgestattet mit der hoch-aciden Asparaginsäure) untersucht. Durch die Verwendung verschiedener bioinformatischer Methoden wurden Proteinsequenzen evolutionär verwandter Enzyme ermittelt. Somit wurde eine Superfamilie an protonierenden Enzymen (Protonasen) identifiziert und bezüglich deren beschriebener Funktionen analysiert. Diese Studien zeigen, dass sich das Reaktionsspektrum dieser Protonase-Superfamilie in der Natur auf die Polyzyklisierung einiger weniger linearer Terpene beschränkt, ganz im Gegensatz zu der enormen Diversität Brønsted-Säure-katalysierter Reaktionen in der organischen Chemie. Das Substratspektrum der SHCs und dabei besonders des Enzymes aus Alicyclobacillus acidocaldarius (AacSHC) wurde in der Vergangenheit mehrfach adressiert, wobei sich die Studien auf Polyzyklisierungen Squalen-artiger Substratanaloga beschränkten. In einem zweiten Teil dieser Arbeit wurde das Substratspektrum für Polyzyklisierungsreaktionen auf funktionalisierte Polyprenoide erweitert. Insbesondere wurde gezeigt, dass Aromaten und Amide als Nukleophile in der kationischen Polyzyklisierung verwendet werden können, um die Reaktionen zu terminieren. Somit sind formal die stereoselektive Friedel-Crafts-Alkylierung sowie die Hydroamidierung Bestandteil des Reaktionsportfolios der SHCs. Neben der AacSHC wurde in diesem Teil der Arbeit auch eine weitere SHC aus Zymomonas mobilis (ZmoSHC1) verwendet, wobei sich beide Enzyme nur minimal in ihren Funktionen unterschieden. Das Substratspektrum der SHCs ist bezüglich der Substratgröße beschränkt. Während sich mittelgroße Sesqui- und Diterpen-Derivate selektiv und mit guter Aktivität zu bi- und trizyklischen Verbindungen umsetzen lassen, werden Monoterpen-Derivate von den Wildtyp-Enzymen nicht zu den entsprechenden chiralen Cyclohexanoiden zyklisiert. Synthetisierte Modellsubstrate wurden in einem dritten Teil dieser Arbeit verwendet, um diese Limitierung zu untersuchen. Hierzu wurden die Aktivitäten bei enzymatischen Umsetzungen mit molekulardynamischen Simulationen verglichen. Somit wurde ein Zusammenhang zwischen der Substratbindung in einer reaktiven Konformation und der jeweiligen Aktivität aufgezeigt. Daraus lässt sich ableiten, dass vermutlich nicht die katalytische Maschinerie die SHCs auf die Polyzyklisierungschemie beschränkt, sondern die Struktur des hochselektiven aktiven Zentrums. Dieses aktive Zentrum diskriminiert nicht-natürliche Substrate durch die limitierte Fähigkeit diese in einer reaktiven Konformation zu binden. Um SHCs zu „Protonasen“ für unterschiedliche nicht-natürliche Reaktionen zu entwickeln, ist deshalb ein breites Set an unterschiedlichen Geometrien des aktiven Zentrums nötig. Dementsprechend lassen sich potentielle Substrate für unterschiedliche Reaktionstypen mit einer höheren Wahrscheinlichkeit in einer reaktiven Konformation binden. Jedoch sind die aktiven Zentren der SHCs und auch verwandter Triterpen-Zyklasen hochkonserviert. Die nötige Diversität an Enzymen lässt sich somit nicht aus dem natürlichen Pool an Katalysatoren rekrutieren. Aus diesem Grund wurde in einem vierten Teil der Arbeit eine Mutantenbibliothek der AacSHC erstellt. Mit einer rationalen Mutationsstrategie (hydrophobe Substitution) wurde die AacSHC zu einem Set an hochselektiven „Protonasen“ entwickelt und damit die Anwendbarkeit als chirale Brønsted-Säure in der asymmetrischen Katalyse untersucht. Die erzeugten Varianten zeigten Aktivitäten für unterschiedliche chemische Transformationen bei gleichzeitiger Protonierung verschiedener funktioneller Gruppen (Alken, Epoxid und Carbonyl). Dies ermöglichte die Darstellung interessanter Cyclohexanoide mit guten Aktivitäten und exzellenten Stereoselektivitäten (>99 % ee/de). Die praktische Anwendbarkeit wurde in semi-präparativen Umsetzungen aufgezeigt. So wurde zum Beispiel 512 mg Geraniol mit der Variante AacSHC G600F zu einem Cyclohexanoid umgesetzt (32 % isolierte Ausbeute). Demzufolge wurde durch die Einführung einer Punktmutation ein beinahe inaktives Wildtyp-Enzym zu einem praktisch anwendbaren Katalysator evolviert. Verdeutlicht werden die exzellenten Selektivitäten (Regio-, Stereo- und Produktselektivitäten) durch die exklusive Umsetzung von (S)-6,7-Epoxygeraniol aus dem entsprechenden Racemat (inklusive der regioselektiven Deprotonierung des Carbokation-Intermediates), die hochstereoselektive Synthese (>99 % de) von (-)-iso-Isopulegol aus (S)-Citronellal oder durch die stereoselektive Wasseraddition an das Carbokation-Intermediat der Zyklisierung von Geraniol. Der Ursprung der hohen Selektivitäten liegt in der Geometrie des aktiven Zentrums. Ausgehend von unterschiedlichen reaktiven Konformationen (welche zu unterschiedlichen Produkten führen können), werden die Substrate von den „Protonasen“ selektiv in einer bestimmten reaktiven Konformation gebunden und dadurch selektiv aktiviert. Zusammenfassend wurde die einzigartige Protonierungsmaschinerie der SHCs von der Polyzyklisierungschemie befreit und für nicht-natürliche Reaktionen in die asymmetrische Katalyse eingeführt. Darüber hinaus leistet diese Arbeit einen methodischen Beitrag in der Entwicklung neuer Biokatalysatoren, da sie aufzeigt, dass Enzyme und deren Katalysezentren systematisch für nicht-physiologische Reaktionen entwickelt werden können. Dies ist interessant für die Etablierung neuer Biosynthesewege sowie für die Erweiterung der Reaktionsportfolios in der organischen Synthese (Stichwort: chirale Brønsted-Säure-Katalyse in Wasser).