EP2274434A1 - 1, 2 -ADDITION VON CARBONYL VERBINDUNGEN UNTER VERWENDUNG DES ENZYMS YerE - Google Patents

1, 2 -ADDITION VON CARBONYL VERBINDUNGEN UNTER VERWENDUNG DES ENZYMS YerE

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EP2274434A1
EP2274434A1 EP09745771A EP09745771A EP2274434A1 EP 2274434 A1 EP2274434 A1 EP 2274434A1 EP 09745771 A EP09745771 A EP 09745771A EP 09745771 A EP09745771 A EP 09745771A EP 2274434 A1 EP2274434 A1 EP 2274434A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
yere
enzyme
alkyl
radical
reaction
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09745771A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Müller
Patrizia Lehwald
Michael Richter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Original Assignee
Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Albert Ludwigs Universitaet Freiburg filed Critical Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority to EP09745771A priority Critical patent/EP2274434A1/de
Publication of EP2274434A1 publication Critical patent/EP2274434A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/24—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carbonyl group

Definitions

  • the present process relates to the reaction of two chemical groups with carbonyl radicals, namely aldehyde and ketone groups in a benzoin condensation to form a carbon-carbon bond, wherein the reaction is catalyzed by a bacterial enzyme.
  • ThDP thiamine diphosphate
  • the two groups with carbonyl radicals can preferably be located on different molecules, then it is an intermolecular Reaction.
  • the two groups can also be present on the same molecule, then it is an intramolecular reaction.
  • the thiamine diphosphate-dependent enzyme YerE as catalyst, it is possible, with the thiamine diphosphate-dependent enzyme YerE as catalyst, to obtain 1: 2 addition products with an enantiomeric excess of> 10: 1 via an intermolecular aldehyde-ketone benzoin reaction, which corresponds to a percentage enantiomeric excess of> 80% ,
  • the enantiomeric excess is preferably at least 70%, preferably at least 75%, more preferably at least 80%, even more preferably 90%, even more preferably 95%, even more preferably 98%.
  • Both cyclic and open-chain aliphatic ketones and ketones with aromatic and heteroaromatic substituents can be used as acceptor substrates.
  • the protein YerE thus has a broad substrate spectrum.
  • the invention is an in vitro method, therefore, the relevant part of the biosynthesis of Yersiniosis A, in which the enzyme YerE both the decarboxylation of pyruvate and the acetyl transfer to the activated 3,6-dideoxy-4-keto-D-glucose catalyzed, not encompassed by the present invention.
  • the starting compound at Therefore, the method of the invention is not Cytidindiphosphat (CDP) activated 3,6-dideoxy-4-keto-D-glucose.
  • the physiological substrate is a very large molecule with a molecular weight of 557 due to the CDP activation (see figure).
  • the subject of the present invention is a process for forming a covalent bond between two groups with carbonyl radicals according to the present reaction equation: wherein
  • R 1 is hydrogen, a carboxyl group or C 1 -C 6 alkyl
  • R 2 is an optionally mono- or disubstituted with halogen and / or C 1 -C 3 alkyl aromatic or heteroaromatic radical or a substituent having the formula -ABCD, wherein A and C are each C 1 -C 6 alkyl, carbonyl or a covalent bond is, B on
  • Heteroatom, such as oxygen and sulfur and D is an aliphatic or optionally substituted aromatic or heteroaromatic radical, or R 1 and R 2 together form a cyclic, optionally mono- or disubstituted with a C 1 -C 6 alkyl radical and / or with a heteroatom alkyl radical which may optionally contain a heteroatom such as oxygen or sulfur, and
  • R 3 is hydrogen or C 1 -C 6 alkyl, the reaction being catalyzed by the enzyme YerE.
  • R 1 and R 2 are not designed such that the molecule involved in the reaction is CDP-activated 3,6-dideoxy-4-keto-D-glucose.
  • the compound carrying R 1 and R 2 is neither an activated nor an unactivated 3,6-dideoxy-4-keto-D-glucose.
  • all 3,6-dideoxy-4-ketohexoses, whether activated or not, are preferably excluded as reactants of the reaction according to the invention.
  • the keto compound of the present reaction is preferably not a ketopyranose.
  • the enzyme YerE used according to the invention was first described in Yersinia pseudotubercusplosis. According to the invention, a recombinantly produced enzyme is preferably used.
  • the gene encoding YerE was cloned from Yersinia pseudotuberculosis and is expressed in appropriate host organisms.
  • the YerE-encoding gene is incorporated into a suitable expression vector and expressed in a suitable host organism.
  • the gene coding for YerE was cloned and sequenced.
  • the nucleic acid encoding the protein is disclosed in the Sequence Listing as SEQ ID NO: 1. In the context of the present invention, however, it is also possible to use those YerE-like enzymes which are encoded by a gene which has a similar sequence, although the enzymatic activity must at least be retained.
  • the person skilled in the art is aware that similar genes are also isolated from other microorganisms.
  • the present invention therefore also relates to the use of YerE-like enzymes which, at the nucleotide level, have a homology of at least 60%, preferably at least 80% and particularly preferably at least 90%, calculated over the total length of SEQ ID NO: 1.
  • YerE-like enzymes which, at the nucleotide level, have a homology of at least 60%, preferably at least 80% and particularly preferably at least 90%, calculated over the total length of SEQ ID NO: 1.
  • For the calculation of the homology commercial standard programs are used with default settings.
  • the enzymatic activity of the enzyme can be improved by suitable mutations. Using a three-dimensional model of the tertiary structure, which can be created with a suitable computer model, those amino acids responsible for the catalytic activity can be identified. By stepwise exchange of individual amino acids, the enzymatic activity can be increased.
  • SEQ ID NO: 2 represents the amino acid sequence of the YerE enzyme.
  • the homology values relate to the total length of the protein shown in SEQ ID NO: 2.
  • the enzyme YerE can either be highly purified or partially purified.
  • Methods for purifying an enzyme are well known to those of ordinary skill in the art.
  • suitable tags can be added to the sequence coding for the enzyme YerE, which then interact with suitable cleaning materials or adsorption materials and an efficient and in most cases allow sufficient cleaning in one cleaning step.
  • it is sufficient to use a crude enzyme preparation which preferably has about 5 to 80% by weight and more preferably 20 to 80% by weight YerE, based on the total protein content.
  • the enzyme YerE it is possible by the use of the enzyme YerE to form a covalent bond between two chemical groups with carbonyl radicals.
  • the two reactants of the above reaction equation (I) can be considered as acceptor substrate and donor substrate.
  • R 1 is hydrogen, a carboxyl group or C 1 -C 6 alkyl and R 2 is an optionally mono- or disubstituted with heteroatom and / or C 1 -Ce alkyl aromatic radical.
  • the acceptor of formula (II) may also be pyruvate.
  • the substituent R 1 has the meaning of a carboxyl group and the substituent R 2 has the meaning of a methyl group.
  • aldehydes are used as acceptors.
  • the substituent R 1 has the meaning of hydrogen and the radical R 2 may have different meanings.
  • R 2 can assume the meaning of a mono- or disubstituted aromatic radical. in this connection These may be aromatic 5-rings or 6-rings, as well as fused 5-rings and 6-rings, which may also contain heteroatoms such as oxygen, nitrogen and sulfur.
  • Preferred examples of the aromatic rings are furan, benzofuran, isobenzofuran, pyrrole, indole, isoindole, thiophene, benzothiophene, imidazole, benzimidazole, purine, pyrazole, indazole, oxazole, benzoxazole, isoxazof, benzisoxazole, thioazole, benzothiazole, benzene, naphthalene, anthracene, Pyridine, isoquinoline, pyrazine, quinoxaline, acridine, pyrimidine, quinazoline, pyridazine or cinnoline.
  • aromatic radicals may be substituted with 1 to 2 radicals, wherein the substituents are preferably halogens (F 1 Cl 1 Br, I), hydroxy groups, C 1 -C 6 alkyl or C 1 -C 6 alkoxy.
  • the acceptor is open-chain aliphatic ketones, where the radical R 2 has the meaning C 1 -C 6 alkyl, carbonyl or -CH 2 XCH 3 or -CHXCH 2 CH 3 , where X is heteroatom , preferably has sulfur or oxygen.
  • the acceptor is ketones having aromatic or heteroaromatic substituents, wherein in the compound of the formula
  • R 2 is selected from:
  • Hal is selected from F, Cl, Br, or I.
  • the substituents R 1 and R 2 may together form a cyclic alkyl radical, which may optionally also have a heteroatom such as sulfur or oxygen.
  • This cyclic alkyl group preferably has 4-10 carbon atoms.
  • this cyclic alkyl radical may be substituted by one or more C 1 -C 8 -alkyl radicals or heteroatoms, with the proviso that these are not 2-methylcyclohexanone, 3,3-dimethylcyclohexanone or CDP-activated 3,6-dideoxy- 4-keto-D-glucose.
  • the acceptor substrates are aldehydes, simple ketones, diketones, ketones with ether substituents and ketones with ester substituents.
  • the general formulas and their preferred representatives are summarized in the following overview.
  • Table 1 Acceptor substrate spectrum of the enzyme YerE; wherein "R -" means that the aromatic radical may optionally have one to four heteroatoms and / or Ci- C 6 alkyl may be mono- or disubstituted.
  • the donor substrate as the second reactant of the reaction equation (I) may be a compound having the formula:
  • R 3 is hydrogen or C 1 -C 6 alkyl.
  • the starting material for the work was the genomic DNA from Yersinia pseudotuberculosis O: VI, obtained from the Institute for Hygiene and Environment Hamburg (Department of Microbiology and Consumer Protection).
  • appropriate strains may be obtained from strain collections such as ATCC or DSM.
  • PCR was used to amplify the DNA coding for the Yersinia pseudotuberculosis O: VI protein YerE.
  • an Ncol interface was added at the 5 'end, and a Bgl II site at the 3' end.
  • the vector pQE-60 (FIG. 2, A) has in its Multi Cloning Site (MCS) (FIG. 2, B) these two interfaces.
  • MCS Multi Cloning Site
  • Both the vector and the respective PCR product were then paired with the two Digested restriction enzymes and then the respective PCR product was ligated with the vector.
  • the construct thus obtained was used to transform E. coli XLIblue for vector production and E. coli BL21 (DE3) cells for expression.
  • YerE fusion protein from Yersinia pseudotuberculosis O: VI was obtained as a C-terminal His-tag bearing protein.
  • the nucleotide sequence of YerE is shown in the Sequence Listing as SEQ ID NO: 1.
  • the cells were incubated in LB medium (100 ug / ml ampicillin) at 37 ° C in a shake flask and after IPTG addition (1.0 mM) overnight at 24 0 C expressed.
  • LB medium 100 ug / ml ampicillin
  • Protein purification was performed by immobilized metal ion affinity chromatography. Both talon beads (Cobalt ions) and nickel NTA were used.
  • Example 2 Pyruvate as substrate for YerE
  • Table 1 (V) shows the YerE catalyzed reactions with benzaldehyde and derivatives.
  • Table 2 YerE catalyzed reactions of cyclohexanone and derivatives.
  • the enzymatic product 1- (1-hydroxy-3-methylcyclohexyl) -ethanone was chemically synthesized for comparison. It was found that in the chemical reaction of one of the two pairs of enantiomers is formed in large excess over the second. Due to the fact that an energetically favorable chair conformation exists for both the R, R and the S, S diastereomers, in which both large substituents (acetyl and methyl groups) occupy an equatorial position, whereas for the R, S and S and the S, R diastereomer has no such conformation, it is believed that the enantiomeric pair that is preferentially formed is the R 1 R and S, S diastereomer.
  • the open-chain compound 1-phenoxypropan-2-one could be identified as a further substrate of the enzyme YerE by screening.
  • Equations XIII.1 - XIII.5 Product formation in% by GC-MS with aromatic ketones as acceptor substrates. 1.5 ml reaction volume, 20 mM acceptor substrate, 50 mM sodium pyruvate, in XIII.3., XIII.4. and XIII.5. 20% DMSO.
  • 2-oxobutyrate exhibits activity in the presence of carbonyls.
  • Equation XIV 2-oxobutyrate as donor substrate, product formation via GC-MS:> 99%.
  • the protein lyophilisates contained 35-40% total protein used.
  • the reaction solution was in the batches with tetrahydro-2H-pyran-3-one and 3,4-hexanedione with methyl-te / f-butyl ether (MTBE), in the batch with 1-phenoxy-propan-2-one with ethyl acetate, extracted.
  • MTBE methyl-te / f-butyl ether
  • centrifugation of the reaction solution to separate off the precipitated protein was carried out beforehand.
  • the organic phase was dried over anhydrous sodium sulfate and the solvent removed under reduced pressure.
  • the crude product was purified by column chromatography on silica gel 60.
  • the purification was carried out on hydrochloric acid-treated silica gel 60.

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Abstract

Offenbart wird ein Verfahren zur Ausbildung einer kovalenten Bindung zwischen zwei Gruppen mit Carbonylresten gemäß der vorliegenden Reaktionsgleichung: (I) worin R1 Wasserstoff, eine Carboxylgruppe oder C1-C6 Alkyl ist und R2 ein gegebenenfalls mit Halogen und / oder C1-C6 - Alkyl mono-oder disubstituierter aromatischer oder heteroaromatischer Rest oder ein Substituent mit der Formel -A-B-C-D ist, wobei A und C jeweils C1-C6 Alkyl, Carbonyl oder eine kovalente Bindung ist, B ein Heteroatom, wie Sauerstoff und Schwefel und D ein aliphatischer Rest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, ein gegebenenfalls substituierter aromatischer oder heteroaromatischer Rest ist, oder R1 und R2 zusammen einen cyclischen, gegebenenfalls mit einem C1-C6 Alkylrest und/oder mit einem Hydroxyrest mono- oder disubstituierten Alkylrest bildet, der gegebenenfalls ein Heteroatom, wie Sauerstoff oder Schwefel enthalten kann, und R3 Wasserstoff oder C1-C6 Alkyl ist, worin die Reaktion durch das Enzym YerE katalysiert wird.

Description

1 , 2 -ADDITION VON CARBONYL VERBINDUNGEN UNTER VERWENDUNG DES ENZYMS YerE
Für die Synthese von enantiomerenreinen Natur- und Wirkstoffen ist es häufig entscheidend, dass bei den einzelnen Syntheseschritten ein hoher Enantiomeren- Überschuß erzielt wird. Das vorliegende Verfahren betrifft die Reaktion von zwei chemischen Gruppen mit Carbonylresten, nämlich Aldehyd- und Ketongruppen in einer Benzoin-Kondensation unter Ausbildung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung, wobei die Reaktion durch ein bakterielles Enzym katalysiert wird.
Zu den am längsten bekannten Reaktionen der organischen Chemie gehört die Benzoin- Kondensation, bei der Aldehyde in Acyloine überführt werden. Wird einer der beiden Aldehyde durch ein Keton ausgetauscht, könnten sich auf diese Weise tertiäre Alkohole aufbauen lassen. Da es sich bei chiralen tertiären Alkoholen um Verbindungen handelt, die von großem Interesse für die Synthese von enantiomerenreinen Natur- und Wirkstoffen sind, wurden verschiedene chirale Katalysatoren entwickelt, um die Aldehyd- Keton Benzoin Reaktion asymmetrisch durchführen zu können. Bislang ist jedoch das Problem der intermolekularen nicht-enzymatischen asymmetrischen Acyloinkondensation mit Ketonen als Akzeptoren ungelöst. Ursache hierfür stellt die geringere Carbonylaktivität von Ketonen im Vergleich zu Aldehyden dar, welche bevorzugt zu einer Aldehyd-Aldehyd Benzoin Reaktion und somit zu einer Acyloinbildung führt.
Zwar ist die C-C-Bindungsknüpfung von Aldehyden in 1,2-Position (vgl. Benzoin Kondensation) mit Thiamindiphosphat (ThDP)-abhängigen Enzymen mit guter Ausbeute und gutem Enantiomerenüberschuss möglich, jedoch konnte für klassische ThDP- abhängige Enzyme, wie beispielsweise die Benzaldehydlyase (BAL) aus Pseudomonas fluorescens sowie die Pyruvatdecarboxylase (PDC) aus Saccharomyces cerevisiae, keine Aldehyd-Keton Benzoin Reaktion gezeigt werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren zur Ausbildung einer kovalenten Bindung zwischen zwei Gruppen mit Carbonylresten bereit zu stellen mit einer definierten Stereochemie. Die beiden Gruppen mit Carbonylresten können bevorzugt an verschiedenen Molekülen lokalisiert sein, dann handelt es sich um eine intermolekulare Reaktion. Die beiden Gruppen können aber auch an ein und demselben Molekül vorhanden sein, dann handelt es sich um eine intramolekulare Reaktion.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, mit dem Thiamindiphosphat- abhängigen Enzym YerE als Katalysator über eine intermolekulare Aldehyd-Keton Benzoin Reaktion 1 ,2-Additionsprodukte mit einem Enantiomerenüberschuss bevorzugt von > 10:1 zu erhalten was einem prozentualen Enantiomerenüberschuss von > 80% entspricht. Erfindungsgemäß beträgt der Enantiomerenüberschuss vorzugsweise mindestens 70%, bevorzugt mindestens 75%, weiter bevorzugt mindestens 80%, noch weiter bevorzugt 90%, noch weiter bevorzugt 95%, noch weiter bevorzugt 98%. Hierbei können sowohl cyclische und offenkettige aliphatische Ketone als auch Ketone mit aromatischen und heteroaromatischen Substituenten als Akzeptorsubstrate eingesetzt werden. Das Protein YerE weist somit ein breites Substratspektrum auf.
Von Liu et al. (J.Am.Chem.Soc. 1998, S. 11796-11797) wurde 1998 der Biosyntheseweg von Yersiniose A, einer 3,6-Didesoxyhexose publiziert, bei der es sich um einen Bestandteil der Lipopolysaccharide von Yersinia pseυdotubercυlosis O:VI handelt. Das durch yerE codierende ThDP-abhängige Enzym katalysiert hierbei sowohl die Decarboxylierung von Pyruvat als auch den Acetyltransfer auf eine aktivierte 3,6- Didesoxy-4-keto-D-glucose. Das Enzym YerE wurde von Liu et al. kloniert und mittels Immobilisierter Metallionen Affinitäts-Chromatographie gereinigt. Mittels Gelfiltration wurde für das Homodimer ein molares Gewicht von 117 kDa und für jede Untereinheit eine Größe von 63 kDa bestimmt. Die Funktion des Enzyms YerE bei der Biosynthese der Yersiniose A ist in Figur 1 dargestellt. Zur Bestimmung der Enzymaktivität wurde das Substrat, die aktivierte 3,6-Didesoxy-4-keto-D-glucose, ausgehend von CDP-D-Glucose durch Verwendung der gereinigten Enzyme E0^, E1 und E3 gewonnen und dessen Umsetzung durch YerE zur Verbindung 5 mittels NMR-Spektroskopie nachgewiesen. Auch von He, X. M. und Liu, H. W. wird in die Reaktion in einem Review beschrieben (Annual Review of Biochemistry, Bd. 71 , 2002, Seiten 731-733).
Gegenstand der Erfindung ist ein in vitro Verfahren, daher ist der betreffende Teil der Biosynthese von Yersiniose A, in dem das Enzym YerE sowohl die Decarboxylierung von Pyruvat als auch den Acetyltransfer auf die aktivierte 3,6-Didesoxy-4-keto-D-glucose katalysiert, nicht von der vorliegenden Erfindung umfasst. Die Ausgangsverbindung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist daher nicht Cytidindiphosphat (CDP) aktivierte 3,6- Didesoxy-4-Keto-D-glucose.
Da es sich bei dem physiologischen Substrat aufgrund der CDP-Aktivierung um ein sehr großes Molekül mit einer Molmasse von 557 handelt (s. Abbildung),
Abbildung: Physiologisches Akzeptorsubstrat von YerE
sind die von uns gezeigten Umsetzungen sehr kleiner cycltscher Akzeptorsubstrate wie Cyclohexanon mit einer Molmasse von 98 oder Tetrahydro-2H-pyran-3-on mit einer Molmasse von 100 (s. Abbildung) überraschend. Es war keinesfalls vorhersehbar, dass derartig kleine Moleküle im aktiven Zentrum des Enzyms stabilisiert und umgesetzt werden können.
Mr = 98 g/mol Mr = 10O g/mol
Abbildung: Gefundene nicht-physiologische cyclische Akzeptorsubstrate von YerE
Gegenstand der voriiegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Ausbildung einer kovalenten Bindung zwischen zwei Gruppen mit Carbonylresten gemäß der vorliegenden Reaktionsgleichung: worin
R1 Wasserstoff, eine Carboxylgruppe oder C1-C6 Alkyl ist und
R2 ein gegebenenfalls mit Halogen und / oder Ci-C3-Alkyl mono- oder disubstituierter aromatischer oder heteroaromatischer Rest oder ein Substituent mit der Formel -A-B-C-D ist, wobei A und C jeweils C1-C6 Alkyl, Carbonyl oder eine kovalente Bindung ist, B ein
Heteroatom, wie Sauerstoff und Schwefel und D ein aliphatischer oder gegebenenfalls substituierter aromatischer oder heteroaromatischer Rest ist, oder R1 und R2 zusammen einen cyclischen, gegebenenfalls mit einem C1-C6 Alkylrest und/oder mit einem Heteroatom mono- oder disubstituierten Alkylrest bildet, der gegebenenfalls ein Heteroatom wie Sauerstoff oder Schwefel enthalten kann, und
R3 Wasserstoff oder C1-C6 Alkyl ist, wobei die Reaktion durch das Enzym YerE katalysiert wird.
Da die natürlicherweise ablaufende Reaktion nicht umfasst ist, sind erfindungsgemäß R1 und R2 nicht derart gestaltet, dass das an der Reaktion beteiligte Molekül CDP-aktivierte 3,6-Didesoxy-4-keto-D-glucose ist.
Vorzugsweise ist die Verbindung, welche die Reste R1 und R2 trägt, weder eine aktivierte noch eine nicht-aktivierte 3,6-Didesoxy-4-keto-D-glucose. Weiter sind bevorzugt alle 3,6- Didesoxy-4-ketohexosen, ob aktiviert oder nicht, als Reaktanden der erfindungsgemäßen Reaktion ausgenommen. Weiterhin handelt es sich bei der Ketoverbindung der vorliegenden Reaktion bevorzugt nicht um eine Ketopyranose.
Das erfindungsgemäß eingesetzte Enzym YerE wurde erstmals bei Yersinia pseudotubercυlosis beschrieben. Erfindungsgemäß wird bevorzugt ein rekombinant hergestelltes Enzym eingesetzt. Das für YerE kodierende Gen wurde aus Yersinia pseudotuberculosis Moniert und wird in geeigneten Wirtsorganismen exprimiert. In bevorzugter Ausführungsform wird das für YerE kodierende Gen in einen geeigneten Expressionsvektor eingebaut und in einem geeigneten Wirtsorganismus exprimiert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde das für YerE kodierende Gen kloniert und sequenziert. Die für das Protein kodierende Nucleinsäure ist im Sequenzprotokoll als SEQ ID NO: 1 offenbart. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können allerdings auch solche YerE-ähnlichen Enzyme eingesetzt werden, die durch ein Gen kodiert werden, das eine ähnliche Sequenz aufweist, wobei allerdings die enzymatische Aktivität zumindest beibehalten bleiben muß.
Dem Fachmann ist bekannt, dass ähnliche Gene auch aus anderen Mikroorganismen isoliert werden. Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch die Verwendung von YerE- ähnlichen Enzymen, die auf Nukleotid-Ebene eine Homologie von wenigstens 60%, bevorzugt wenigstens 80% und besonders bevorzugt wenigstens 90%, berechnet über die Gesamtlänge von SEQ ID NO: 1 , aufweisen. Für die Berechnung der Homologie werden kommerziell übliche Programme mit Standardeinstellungen verwendet.
Dem Fachmann ist auch bekannt, dass die enzymatische Aktivität des Enzyms durch geeignete Mutationen verbessert werden kann. Anhand eines dreidimensionalen Modells der Tertiärstruktur, die mit einem geeigneten Computermodell erstellt werden kann, können diejenigen Aminosäuren, die für die katalytische Aktivität verantwortlich sind, identifiziert werden. Durch schrittweisen Austausch einzelner Aminosäuren kann die enzymatische Aktivität erhöht werden.
SEQ ID NO:2 gibt die Aminosäuresequenz des YerE-Enzyms wieder. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können auch solche Enzyme eingesetzt werden, die eine hohe Ähnlichkeit zu der SEQ ID NO:2 haben. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden daher für die erfindungsgemäße Umsetzung bevorzugt solche Enzyme eingesetzt, die eine Homologie von wenigstens 60%, bevorzugt wenigstens 70% noch bevorzugter wenigstens 80% und besonders bevorzugt wenigstens 90% zu der Aminosäuresequenz mit der Identifikationsnummer 2 aufweisen. Die Homologiewerte beziehen sich dabei auf die Gesamtlänge des in SEQ ID NO:2 wiedergegebenen Proteins.
Für die Durchführung der Reaktion kann das Enzym YerE entweder hochgereinigt oder teilgereinigt werden. Verfahren zum Reinigen eines Enzyms sind dem Durchschnittsfachmann wohlbekannt. Beispielsweise können an die Sequenz kodierend für das Enzym YerE geeignete Tags angefügt werden, die dann mit geeigneten Reinigungsmaterialien bzw. Adsorptionsmaterialien wechselwirken und eine effiziente und in den meisten Fällen ausreichende Reinigung in einem Reinigungsschritt ermöglichen. Für die meisten Verwendungszwecke ist es ausreichend, eine rohe Enzympräparation einzusetzen, die bevorzugt etwa 5 bis 80 Gew.-% und besonders bevorzugt 20 bis 80 Gew.-% YerE, bezogen auf den Gesamtproteingehalt, aufweist. Für spezielle Ausführungsformen kann es aber auch empfehlenswert sein, das Enzym höher aufzureinigen, so dass die Proteinpräparation 60 bis 95% YerE, bezogen auf das gesamte eingesetzte Protein, beinhaltet. Dies kommt insbesondere dann in Betracht, wenn das Enzym in kontinuierlichen Verfahren eingesetzt wird und dabei auf einer festen Phase, beispielsweise Chromatographiematerial, Trägerkügelchen oder ähnlichem immobilisiert wird.
Erfindungsgemäß ist es möglich, durch den Einsatz des Enzyms YerE eine kovalente Bindung zwischen zwei chemischen Gruppen mit Carbonylresten auszubilden. Die zwei Reaktanden der obigen Reaktionsgleichung (I) können als Akzeptorsubstrat und Donorsubstrat angesehen werden.
Bei dem Akzeptor handelt es sich in einer Ausführungsform um eine Verbindung mit der Formel
O
I l
R2 ^R1 κ (H)1
bei der R1 die Bedeutung Wasserstoff, eine Carboxylgruppe oder Ci-C6 Alkyl hat und R2 ein gegebenenfalls mit Heteroatom und/oder C1-Ce Alkyl mono- oder disubstituierter aromatischer Rest ist.
Bei dem Akzeptor der Formel (II) kann es sich auch um Pyruvat handeln. In diesem Fall nimmt der Substituent R1 die Bedeutung einer Carboxylgruppe und der Substituent R2 die Bedeutung einer Methylgruppe ein.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden Aldehyde als Akzeptoren eingesetzt. In diesem Fall nimmt der Substituent R1 die Bedeutung Wasserstoff ein und der Rest R2 kann verschiedene Bedeutungen aufweisen. In bevorzugter Ausführungsform kann R2 die Bedeutung eines mono- oder disubstituierten aromatischen Restes einnehmen. Hierbei kann es sich um aromatische 5-Ringe oder 6-Ringe sowie kondensierte 5-Ringe und 6- Ringe handeln, die auch Heteroatome wie Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel enthalten können. Bevorzugte Beispiele der aromatischen Ringe sind Furan, Benzofuran, Isobenzofuran, Pyrrol, Indol, Isoindol, Thiophen, Benzothiophen, Imidazol, Benzimidazol, Purin, Pyrazol, Indazol, Oxazol, Benzoxazol, Isoxazof, Benzisoxazol, Thioazol, Benzothiazol, Benzol, Naphthalin, Anthracen, Pyridin, Isochinolin, Pyrazin, Chinoxalin, Acridin, Pyrimidin, Chinazolin, Pyridazin oder Cinnolin. Besonders bevorzugt ist Phenyi. Diese aromatischen Reste können mit 1 bis 2 Resten substituiert sein, wobei es sich bei den Substituenten bevorzugterweise um Halogene (F1 Cl1 Br, I), Hydroxygruppen, C1-C6 Alkyl oder C1-C6 Alkoxy handelt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Akzeptor um offenkettige aliphatische Ketone, wobei der Rest R2 die Bedeutung C1-C6 Alkyl, Carbonyl oder -CH2XCH3 oder -CHXCH2CH3 aufweist, wobei X die Bedeutung Heteroatom, bevorzugt Schwefel oder Sauerstoff hat.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Akzeptor um Ketone mit aromatischen oder heteroaromatischen Substituenten, wobei in der Verbindung mit der Formel
O
I l
R R (II),
R1 die Bedeutung C1-C6 Alkyl hat und R2 ein Substituent mit der Formel -A-B-C-D ist, wobei A und C jeweils die Bedeutung -(CH2)-n mit n = 1 bis 6 hat oder eine kovalente Bindung ist und D ein mono- oder disubstituierter aromatischer oder heteroaromatischer Rest, wie oben definiert, ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist R2 ausgewählt aus:
wobei HaI ausgewählt ist aus F, Cl, Br, oder I.
in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Substituenten R1 und R2 zusammen einen cyclischen Alkylrest bilden, der gegebenenfalls auch ein Heteroatom wie Schwefel oder Sauerstoff aufweisen kann. Dieser cyclische Alkylrest weist bevorzugt 4-10 Kohlenstoffatome auf. Darüber hinaus kann dieser cyclische Alkylrest mit einem oder mehreren Ci-C8-Alkylresten oder Heteroatomen substituiert sein, mit der Maßgabe, dass es sich hierbei nicht um 2-Methylcyclohexanon, 3,3-Dimethylcyclohexanon oder CDP- aktivierte 3,6-Didesoxy-4-keto-D-glucose handelt.
Bevorzugt handelt es sich bei den Aktzeptorsubstraten um Aldehyde, einfache Ketone, Diketone, Ketone mit Ether-Substituenten und Ketone mit Ester-Substituenten. Die allgemeinen Formeln sowie deren bevorzugte Vertreter sind in der folgenden Übersicht zusammengestellt.
Übersicht 1 : Akzeptorsubstratspektrum des Enzyms YerE; wobei "R — " bedeutet, dass der aromatische Rest gegebenenfalls ein bis vier Heteroatome aufweisen kann und/oder Ci- C6 Alkyl mono- oder disubstituiert sein kann.
Da das natürliche Substrat des Enzyms YerE Pyruvat ist, handelt es sich bei Pyruvat um ein bevorzugtes Donorsubstrat. Alternativ hierzu kann jedoch das Donorsubstrat als zweiter Reaktand der Reaktionsgleichung (I) eine Verbindung sein mit der Formel:
(Hl). bei der R3 die Bedeutung Wasserstoff oder C1-C6 Alkyl hat.
Mit dem Thiamindiphosphat-abhängigen Enzym YerE konnte erstmalig eine katalytische asymmetrische C-C-Bindungsknüpfung eines aktivierten (umgepolten) Aldehyds an einfache Ketone gezeigt werden. Dies ist gleichzeitig das erste Beispiel für eine asymmetrische intermolekulare Variante dieser Reaktion.
Für die nicht-enzymatische asymmetrische intermolekulare gemischte Benzoin- Kondensation eines Aldehyds mit einem Keton ist bislang kein Beispiel bekannt. Ausgehend von der in der Literatur publizierten physiologischen Reaktion des Enzyms konnten wir zeigen, dass eine asymmetrische Induktion durch ein chirales Substrat die Induktion durch das Protein übersteigen kann.
Erst durch die Verwendung geeigneter prochiraler Ketone in Kombination mit einer 2-Ketocarbonsäure als Ausgangssubstanz für die Bildung des aktivierten Aldehyds konnten wir die oben genannte Reaktion durch YerE erfolgreich katalysieren. Die hierdurch zugänglichen Enantiomeren angereicherten tertiären Alkohole stellen eine wichtige Gruppe von ansonsten schwer zugänglichen Bausteinen in der Pharmazeutischen und Chemischen Industrie dar.
Beispiel 1 : Bereitstellung des Enzyms YerE
a) Klonierung
Das Ausgangsmaterial für die Arbeiten war die genomische DNA aus Yersinia pseudotuberculosis O:VI, erhalten vom Institut für Hygiene und Umwelt Hamburg (Abteilung für Mikrobiologie und Verbraucherschutz). Alternativ hierzu können geeignete Stämme von Stammsammlungen wie der ATCC oder der DSM erhalten werden.
Mittels PCR wurde die DNA, die für das Protein YerE aus Yersinia pseudotuberculosis O:VI codiert, vervielfältigt. Dabei wurde außerdem am 5'-Ende eine Ncol-Schnittstelle, sowie am 3'-Ende eine Bglll-Schnittstelle eingefügt. Der Vektor pQE-60 (Figur 2, A) besitzt in seiner Multi Cloning Site (MCS) (Figur 2, B) diese beiden Schnittstellen. Sowohl der Vektor als auch das jeweilige PCR-Produkt wurden dann mit den beiden Restriktionsenzymen verdaut und im Anschluss wurde das jeweilige PCR-Produkt mit dem Vektor ligiert. Mit dem so erhaltenen Konstrukt wurden E coli XLIblue zur Vektorproduktion und E.coli BL21(DE3) Zellen zur Expression transformiert. Auf diese Weise wurde ein Fusionsprotein von YerE aus Yersinia pseudotuberculosis O:VI als C- terminal His-Tag tragendes Protein erhalten. Die Nucleotidsequenz von YerE ist im Sequenzprotokoll als SEQ ID NO: 1 wiedergegeben.
b) Expression
Die Expression erfolgte in E.coli BL21(DE3) Zellen.
Die Zellen wurden in LB-Medium (100 μg/ml Ampicillin) bei 37 °C im Schüttelkolben inkubiert und nach IPTG-Zugabe (1.0 mM) über Nacht bei 24 0C exprimiert.
c) Proteinreinigunα
Die Proteinreinigung wurde über Immobilisierte Metallionen Affinitätschromatographie durchgeführt. Es wurden sowohl talon beads (Cobalt Ionen) als auch Nickel-NTA verwendet.
Aufgrund der sehr guten Expression des Proteins YerE (ca. 5% des Proteingehalts im Rohextrakt) sowie dem Ausbleiben von Nebenreaktionen wurde bei den Ansätzen mit Ketonen als Akzeptorsubstrate sowie bei dem Ansatz mit Oxobutyrat als Donorsubstrat mit dem lyophilisierten Rohextrakt gearbeitet.
Beispiel 2: Pyruvat als Substrat für YerE
Ohne Anwesenheit eines Elektrophils (z.B. Aldehyd) bzw. eines weiteren Akzeptorsubstrates katalysiert YerE die Kondensation von Pyruvat zu Acetoin (Reaktionsgleichung IV). Diese Reaktivität wurde schon bei verschiedenen Pyruvatdecarboxylasen wie zum Beispiel aus Zymomonas mobilis ((S)-Acetoin) oder Saccharomyces cerevisiae ((R)-Acetoin) gefunden. H Acetoin (IV)
(IV) zeigt die YerE katalysierte Umsetzung von Pyruvat zu Acetoin. 1.5 ml Reaktionsvolumen, 50 mM Natriumpyruvat, ee((S)-Acetoin) - 4.3%, chirale GC (Lipodex, 70 0C, R, = 13.6 min (R), 18.4 (S)).
Beispiel 3: Aldehyde als Akzeptoren
Benzaldehvd und Derivate als Akzeptoren
In Gegenwart aromatischer Aldehyde werden ausgehend von Pyruvat mit YerE (R)-1-Phenyl-1-hydroxyketone mit guten Enantioselektivitäten (ee = 80 - 97%) gemäß Reaktionsgleichung (V) gebildet:
Bei dem Edukt (1) wurden die in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgeführten Substituenten für R eingesetzt.
Tabelle 1 (V) zeigt die YerE katalysierte Umsetzungen mit Benzaldehyd und Derivaten.
1.5 ml Reaktionsvolumen, 20% DMSO, 20 mM Benzaldehyd-Derivat, 50 mM Natriumpyruvat, 300 μg YerE-Protein.
Dies zeigt, dass selbst sterisch gehinderte Verbindungen wie 2-Methylbenzaldehyd gute Akzeptoren sind.
Beispiel 4: Cvclische Ketone als Akzeptoren
Für das gereinigte Enzym YerE konnte mit Cyclohexanon und methylierten Cyclo hexanonen unter Decarboxylierung von Pyruvat eine intermolekulare Aldehyd-Keton Benzoin Reaktion nachgewiesen werden (Reaktionsgleichung VI).
Cyclohexanon Pyruvat α-Hydroxyketon Derivat (tert. Alkohol)
Tabelle 2: YerE katalysierte Umsetzungen von Cyclohexanon und Derivaten.
Von einer Vielzahl an getesteten Verbindungen wurden nur 2-Methylcyclohexanon und 3,3-Dimethylcyclohexanon nicht von dem Enzym YerE umgesetzt.
Da bei der Umsetzung von 3-Methylcyclohexanon durch die enzymatische Reaktion ein Chiralitätszentrum aufgebaut wird, wurde diese Transformation herausgegriffen und näher untersucht. v. V^ j
Y
Enantiomerenpaar Enantiomerenpaar
Reaktionsgleichung (VII): YerE katalysierte Umsetzung von 3-Methylcyclohexanon (rac.) mit Pyruvat.
Das enzymatische Produkt 1-(1-Hydroxy-3-methylcyclohexyl)-ethanon wurde zu Vergleichszwecken chemisch synthetisiert. Es zeigte sich, dass bei der chemischen Reaktion eines der beiden Enantiomerenpaare in großem Überschuss gegenüber dem zweiten gebildet wird. Aufgrund der Tatsache, dass sowohl für das R,R- als auch für das S,S-Diastereomer eine energetisch günstige Sesselkonformation existiert, bei der beide großen Substituenten (Acetyl- und Methylgruppe) eine äquatoriale Lage einnehmen, während für das R,S- und das S,R-Diastereomer keine derartige Konformation existiert, ist anzunehmen, dass es sich bei dem Enantiomerenpaar, welches bevorzugt gebildet wird, um das R1R- und das S,S-Diastereomer handelt.
Bei der enzymatischen Umsetzung wurde mittels NMR- und GCMS-Untersuchungen ausschließlich das über die chemische Synthese in großem Überschuss gebildete Enantiomerenpaar detektiert. Da der Versuch einer Trennung dieses Enantiomerenpaares mittels chiraler GC nicht zum gewünschten Erfolg führte, wurde (S)-3- Methylcyclohexanon, welches kommerziell nicht erhältlich ist, über einen Syntheseschritt chemisch synthetisiert, um zu überprüfen, ob sowohl [R)- als auch (S)-3- Methylcyclohexanon von dem Enzym YerE als Substrate akzeptiert werden. Hierbei zeigte sich, dass auch das (S)-Enantiomer durch das Protein in das entsprechende Diastereomer überführt wird (VIII). Pyruvat
(R)-3-Methylcyclohexanon 1 -((R)-1-Hydroxy-(R)-3-methyl- cyclohexyl)-ethanon
2. (VIII)
{S)-3-Methylcycloheχanon 1 -((S)-1 -Hydroxy-(S)-3-methyl- cyclohexyό-ethanon
(VIII): Produktbildung in % über GC-MS bei cyclischen aliphatischen Ketonen als Akzeptorsubstrate. 1.5 ml Reaktionsvolumen, 20 mM Akzeptorsubstrat, 50 mM Natriumpyruvat, 1. 15.4 mg eingesetztes Gesamtprotein, 2. 15.4 mg eingesetztes Gesamtprotein.
Im Fall der Umsetzung von 3-Methylcyciohexanon sind demnach vermutlich kinetische und thermodynamische Effekte der Produktbildung und nicht die chirale Information des Enzyms YerE ausschlaggebend für die beobachtete Selektivität der Reaktion. Diese Beobachtung lässt darauf schließen, dass im Fall der physiologischen Reaktion des Proteins (s. Figur 1), der Aufbau des Stereozentrums an C4 ebenfalls durch die bereits am Ring gebundenen 3 Substituenten an C1 , C2 und C5 und nicht durch das Enzym YerE vorgegeben wird.
Beispiel 5: Cyclische aliphatische Ketone als Akzeptoren
Es zeigte sich, dass Pyruvat unter Decarboxylierung durch YerE-Katalyse an die cyclischen aliphatischen Ketone Cyclohexanon und 3-Methylcyclohexanon addiert wird (Reaktionsgleichung (IX)).
Pyruvat
Cyclohexanon 1-(1-Hydroxycyclohexyl)- ethanon
2. (IX)
3-Methylcyc!ohexanon 1-{1-Hydroxy-3-methyl- cyclohexyl)-ethanon
(IX): Produktbildung in % über GC-MS bei cycüschen aliphatischen Ketonen als Akzeptorsubstrate, 1.5 ml Reaktionsvolumen, 20 mM Akzeptorsubstrat, 50 mM Natriumpyruvat, 1. 15.1 mg eingesetztes Gesamtprotein, 2. 15.4 mg eingesetztes Gesamtprotein.
Beispiel 6: Cvclisches Keton mit Heteroatom als Akzeptor
Um eine eventuelle enzymkatalysierte asymmetrische Reaktion untersuchen zu können, wurde das potentielle Substrat Tetrahydro-2H-pyran-3-on über eine zweistufige chemische Synthese synthetisiert, da in diesem Fall die Produktstabilität keinen Einfluss auf die Reaktion hat: Die Bildung beider möglicher Enantiomere ist hier, bezogen auf thermodynamische Aspekte, gleich wahrscheinlich.
Mittels GCMS-Untersuchung konnte in Gegenwart von Pyruvat eine nahezu vollständige Umsetzung des Substrates zu dem dargestellten Produkt 1-(3-Hydroxytetrahydro-2H- pyran-3-yl)-ethanon (X) detektiert werden.
(X): YerE katalysierte Umsetzung von Tetrahydro-2W-pyran-3-on mit Pyruvat.
Für einen Ansatz im 50 ml Maßstab wurden 618 mg Gesamtprotein eingesetzt und 97% 1-(3-Hydroxytetrahydro-2tf-pyran-3-yl)-ethanon im Roh NMR erhalten. Nach Aufreinigung über Säulenchromatographie(Rf(Dichlormethan / Aceton = 9:1) = 0.32): 49 mg 1-(3-Hydroxytetrahydro-2H-pyran-3-yl)-ethanon (34% isolierte Ausbeute)
GC-MS: tß = 6.53 min m/z = 144 ([M]+; 1.2%), 126 ([M - H2O]+; 15.6%), 101 ([C5HSO2]+; 100%),
83 ([C5H7O]+; 26.1%), 55 ([C4H7]*; 65.0%), 1H-NMR: (400 MHz, CDCI3, 25 0C): δ [ppm] = 1.54-1.68 (m, 1 H, CH2),
1.71-1.79 (m, 1 H, CH2), 1.89-2.00 (m, 2 H, CH2), 2.32 (s, 3 H, CH3), 3.41 (s, 1
H, OH), 3.47-3.72 (m, 3 H, CH2), 3.89-3.98 (m, 1 H, CH2). 13C-NMR: (100 MHz, CDCI3, 25 0C): δ [ppm] = 21.1 (CH2), 25.5 (CH3), 31.3
(CH2), 67.9 (CH2), 72.6 (CH2), 77.0 (Cq), 210.9 (C=O). GC: (Lipodex, 90 0C) Rt = 60.56 min (Hauptenantiomer), 59.28 min {ent). ee = 84%
Der Enantiomerenüberschuss wurde mit dem chemisch synthetisierten
Racemat als Referenz ermittelt. Drehwert: [α]D 22 = + 5.04 (α = + 0.0564, c = 1.1 g/ 100 ml, Chloroform).
Mit dem chemisch synthetisierten Racemat als Referenz wurde ein Enantiomerenüberschuss von 84% des gereinigten 1-(3-Hydroxytetrahydro-2tf-pyran-3- yl)-ethanon über chirale Gaschromathographie ermittelt.
Beispiel 7: i-Phenoxypropan-2-on als Akzeptor
Ausgehend von dem Substrat Tetrahydro-2H-pyran-3-on konnte durch Screening die offenkettige Verbindung 1-Phenoxypropan-2-on als weiteres Substrat des Enzyms YerE identifiziert werden.
(Xl): YerE katalysierte Umsetzung von 1-Phenoxypropan-2-on mit Pyruvat.
Im semipräparativen Maßstab wurden mit 14.9 mg Protein (= 745 μg YerE-Protein) 4.5 mg
1-Phenoxypropan-2-on zu 45% in 3-Hydroxy-3-methyl-4-phenoxybutan-2-on umgesetzt
(GCMS).
Für einen Ansatz im 50 ml Maßstab wurden 588 mg Gesamtprotein eingesetzt und 48% 3-Hydroxy-3-methyl-4-phenoxybutan-2-on im Roh NMR erhalten. Nach Aufreinigung über Säulenchromatographie (Rf(Cyclohexan / Ethylacetat = 5:1) = 0.28): 56 mg 3-Hydroxy-3-methyl-4-phenoxybutan-2-on (29% isolierte Ausbeute)
GC-MS: tR = 9.26 min m/z = 194 ([M]+; 11.6%), 151 ([M - C2H3O]+; 100%), 133 ([C9H9O]+; 64.0%),
94 ([C6H6O]+; 57.3%), 77 ([C6H6J+; 36.0%).
1H-NMR: (400 MHz1 CDCI3, 25 0C): δ [ppm] - 1.47 (s, 3 H, CH3COH), 2.35 (s, 3 H1
CH3C=O), 4.00 (S, 1 H, OH), 4.02 (d, J = 9.4 Hz, 1 H, CH2), 4.21 (d, J = 9.4
Hz, 1 H, CH2), 6.85-6.93 (m, 2 H, ar-H), 6.96-7.03 (m, 1 H, ar-H), 7.25-7.34
(m, 2 H, ar-H).
13,
C-NMR: (100 MHz, CDCI3, 25 0C): δ [ppm] = 21.7 (CH3COH), 24.6 (CH3C=O),
73.0 (CH2), 78.3 (Cq), 114.6 (ar-C), 121.5 (ar-C), 129.5 (ar-C), 158.2 (ar-
C), 210.3 (C=O).
HPLC: (Chiracel AS-H, 25 °C, 0.75 ml- min'1, /7-Hexan/ 2-Propanol = 90:10)
Rt = 10.15 min (ent) und 11.11 min (Hauptenantiomer). ee = 91%
Drehwert: [α]D 24 = . 43j (α = - 0.5244, c = 1.2 g/ 100 ml, Chloroform).
Der Enantiomerenüberschuss von 91% des gereinigten 3-Hydroxy-3-methyl- 4-phenoxybutan-2-ons wurde über chirale HPLC mit dem chemisch synthetisierten Racemat als Referenz ermittelt.
Beispiel 8: Offenkettige aliphatische Ketone als Akzeptoren
Pyruvat wird unter YerE-Katalyse ebenfalls an offenkettige aliphatische Ketone addiert (Gleichung XII).
Pyruvat
ethy I-
(XII)
n-
(XII): Produktbildung in % über GC-MS bei offenkettigen aliphatischen Ketonen als Akzeptorsubstrate. 1.5 ml Reaktion svoiumen, 20 mM Akzeptorsubstrat, 50 mM Natrtumpyruvat, 1. 15.1 mg eingesetztes Gesamtprotein, 2. 18.2 mg eingesetztes Gesamtprotein.
Für einen Ansatz im 50 ml Maßstab wurden 690 mg Gesamtprotein eingesetzt. Aufgrund des Zusammenfallens der Edukt- und Produkt-Signale kann hier keine Angabe des prozentualen Anteils von 3-Ethyl-3-hydroxyhexan-2,4-dion im Roh NMR erfolgen. Nach Aufreinigung über Säulenchromatographie (Rf(Cydohexan / Ethylacetat = 5:1) = 0.50): 53 mg 3-Ethyl-3-hydroxyhexan-2,4-dion (34% isolierte Ausbeute)
GC-MS: tR = 5.71 min
/77/z = 158 ([M]+; 0.6%), 116 ([C6Hi2O2]*; 59.1 %), 102 ([CsH10O2]+;
99.8%), 87 ([C4H7O2I+; 73.2%), 57 ([C3H5O]+; 100%). tR = 5.79 min m/z = 158 (0.4%), 116 (9.5%), 102 (100%), 87 (52.2%), 57 (94.3%). 1H-NMR: (400 MHz, CDCI3, 25 0C): δ [ppm] = 0.83 (t, J = 7.4 Hz, 3 H, CH3), 1.04 (t,
J = 7.3 Hz, 3 H, CH3), 2.03 (q, J = 7.4 Hz, 2 H, CH2), 2.25 (s, 3 H, CH3),
2.44-2.60 (m, 1 H, CH2), 2.68-2.82 (m, 1 H, CH2), 4.66 (s, 1 H, OH). 13C-NMR: (100 MHz1 CDCI3, 25 0C): δ [ppm] = 5.2 (CH3), 5.2 (CH3), 25.1 (CH3),
29.7 (CH2), 30.9 (CH2), 91.0 (Cq), 207.8 (C=O), 210.2 (C=O). GC: (Lipodex D, 90 0C) R4 = 10.68 min (Hauptenantiomer), 12.02 min (enf). ee = 84% Drehwert: [α]D 22 = - 15.3 (α = - 0.1778, c = 1.2 g/ 100 ml, Chloroform).
Beispiel 9: Ketone mit aromatischen Substituenten als Akzeptoren
Pyruvat wird unter YerE-Katalyse ebenfalls an Ketone mit aromatischen Substituenten addiert (Reaktionsgleichung XIII.1 - XIII.5).
Pyruvat
4-(Ben2yloxy)-butan-2-on 5-(Benzyloxy)-3-hydroxy-3-methyl- pentan-2-on
1 -Phenoxy propan-2-on 3-Hydroxy-3-methyl-4-phenoxy- butan-2-on
1-(4-Chlorphenoxy)- 4-(4-Chlorphenoxy)-3-hydroxy- propan-2-on 3-methylbutan-2-on
1 -(Naphthalen-2-y!oxy)- 3-Hydroxy-3-methyl-4-(naphthalen- propan-2-on 2-yloxy)-butan-2-on
2-Oxopropyl-4-brom- 2-Hydroxy-2-methyl-3-oxobutyl- benzoat 4-brombenzoat
Gleichungen XIII.1 - XIII.5: Produktbildung in % über GC-MS bei aromatischen Ketonen als Akzeptorsubstrate. 1.5 ml Reaktionsvolumen, 20 mM Akzeptorsubstrat, 50 mM Natriumpyruvat, bei XIII.3., XIII.4. und XIII.5. 20% DMSO.
XiII.1. 18.3 mg eingesetztes Gesamtprotein, XIII.2. 14.9 mg eingesetztes Gesamtprotein, XIII.3. 17.5 mg eingesetztes Gesamtprotein, XIII.4. 15.0 mg eingesetztes Gesamtprotein, XIII.5. 18.3 mg eingesetztes Gesamtprotein. Beispiel 10: Variation des Donorsubstrates
Als weiteres Donorsubstrat zeigt 2-Oxobutyrat Aktivität in Gegenwart von Carbonylen.
2-Oxobutyrat Benzaldehyd (R)-1 -Hydroxy-1 -phenyl- butan-2-on (XIV)
Gleichung XIV: 2-Oxobutyrat als Donorsubstrat, Produktbildung über GC-MS: > 99%.
1.5 ml Reaktionsvolumen, 20 mM Akzeptorsubstrat, 50 mM 2-Oxobutyrat, 19.7 mg eingesetztes
Gesamtprotein ee((R)-1-Hydroxy-1-phenylbutan-2-on) > 98%, chirale HPLC (Chiralcel OD-H, 40 0C, 0.5 mi min'1, n-Hexan/ 2-Propanol = 95:5, R1 = 20.4 min (R)).
Beispiel 11 : Reaktionen im 50 ml Massstab
a) Allgemeine Ansatzbedinαungen
Es wurden jeweils 20 mM Akzeptorsubstrat und 50 mM Natriumpyruvat eingesetzt. Das Proteinlyophilisat wurde in 50 mM KPi-Puffer gelöst. Zu dieser Lösung wurde das Akzeptorsubstrat in Reinform und das Natriumpyruvat, gelöst in 50 mM KPi-Puffer zugegeben. Bei dem enzymatischen Ansatz mit 1-Phenoxypropan-2-on wurden zusätzlich 2.5 mi Methyl-terf-butylether (MTBE) (5%) als Lösungvermittler eingesetzt. Im Anschluss wurde die Reaktionslösung mit 50 mM KPi-Puffer auf 50.0 ml aufgefüllt.
Die Proteinlyophilisate enthielten 35 - 40% eingesetztes Gesamtprotein.
Zusammensetzung des KPi-Puffers:
50 mM KPi
1.5 mM MgCI2
0.05 mM ThDP
0.02 mM FAD b) Aufarbeitung
Die Reaktionslösung wurde bei den Ansätzen mit Tetrahydro-2H-pyran-3-on und 3,4-Hexandion mit Methyl-te/f-butylether (MTBE), bei dem Ansatz mit 1-Phenoxy-propan- 2-on mit Ethylacetat, extrahiert. Bei dem Ansatz mit 3,4-Hexandion erfolgte zuvor noch eine Zentrifugation der Reaktionslösung zur Abtrennung des ausgefallenen Proteins. Die organische Phase wurde über wasserfreiem Natriumsulfat getrocknet und das Lösungsmittel unter vermindertem Druck entfernt.
Das Rohprodukt wurde über Säulenchromatographie an Kieselgel 60 gereinigt. Für die Reinigung der Rohprodukte, die ausgehend von Tetrahydro-2H-pyran-3-on und 1-Phenoxypropan-2-on erhalten wurden, erfolgte die Reinigung an Salzsäurebehandeltem Kieselgel 60.
Beispiel 12: Enantiomerenüberschuss
Der Enantiomerenüberschuss der durch YerE Katalyse entstandenen Produkte wurde über chirale GC-FID und chirale HPLC-DAD bestimmt.
Enantiomerenüberschuss der durch YerE Katalyse entstandenen Produkte:
Enantiomeren¬
+ überschuss (ee %)
Pyruvat
Tetra hydro-2-tf- 1 -(3-Hydroxy-tetrahydro-2H- pyran-3-on pyran-3-yl)-ethanon
3,4-Hexandion 3-Ethyl-3-hydroxyhexan- 2,4-dion
1-Phenoxypropan-2-on 3-Hydroxy-3-methyl-4-phenoxy- butan-2-on
Beispiel 13 fVerαleichsbeispiel):
a) Chemische Synthese des razemischen 1-(3-Hvdroxytetrahvdro-2/-/-pyran-3-yD- ethanon:
(XV); Chemische Synthese des razemischen 1-(3-Hydroxytetrahydro-2H-pyran-3-yl)-ethanon als Referenz. GC-MS: tR = 6.53 min m/z = 144 ([M]+; 1.2%), 126 ([M - H2O]+; 15.6%), 101 ([C5H9O2]+; 100%), 83
([C6H7O]+; 26.1 %), 55 ([C4H7J+; 65.0%). 1H-NMR: (400 MHz, CDCI3, 25 0C): δ [ppm] = 1.54-1.68 (m, 1 H, CH2), 1.71-1.79 (m, 1
H, CH2), 1.89-2.00 (m, 2 H, CH2), 2.32 (s, 3 H, CH3), 3.41 (s, 1 H1 OH), 3.47-
3.72 (m, 3 H, CH2), 3.89-3.98 (m, 1 H, CH2). 13C-NMR: (100 MHz, CDCI3, 25 0C): δ [ppm] = 21.1 (CH2), 25.5 (CH3), 31.3 (CH2),
67.9 (CH2), 72.6 (CH2), 77.0 (Cq), 210.9 (C=O). GC: (Lipodex, 90 0C) Rt = 60.56 min, 59.28 min.
Razemat
b) Chemische Synthese des razemischen 3-Hvdroxy-3-methyl-4-phenoxybutan-2-on:
(XVI): Chemische Synthese des razemischen 3-Hydroxy-3-methyl-4-phenoxybutan-2-on als Referenz.
GC-MS: tR = 9.26 min m/z = 194 ([M]+; 11.6%), 151 ([M - C2H3O]+; 100%), 133 ([C9H9O]+; 64.0%), 94 ([C6H6O]+; 57.3%), 77 ([C6Hs]+; 36.0%).
1H-NMR: (400 MHz, CDCI3, 25 0C): δ [ppm] = 1.47 (s, 3 H, CH3COH), 2.35 (s, 3 H, CH3C=O), 4.00 (S1 1 H, OH), 4.02 (d, J = 9.4 Hz1 1 H, CH2), 4.21 (d, J = 9.4 Hz, 1 H, CH2), 6.85-6.93 (m, 2 H, ar-H), 6.96-7.03 (m, 1 H, ar-H), 7.25- 7.34 (m, 2 H, ar-H).
13C-NMR: (100 MHz, CDCI3; 25 0C): δ [ppm] = 21.7 (CH3COH), 24.6 (CH3C=O), 73.0 (CH2), 78.3 (Cq), 114.6 (ar-C), 121.5 (ar-C), 129.5 (ar-C), 158.2 (ar- C), 210.3 (C=O).
HPLC: (Chiracel AS-H, 25 0C, 0.75 mi min'1, n-Hexan/ 2-Propanol = 90:10)
Rt = 10.15 min und 1 1.11 min. Razemat
Beispiel 14: Absolute Konfiguration
a) Aldehyde als Akzeptoren
Zur Bestimmung der absoluten Konfiguration der ausgehend von Benzaldehydderivaten gebildeten enzymatischen Produkte wurde die Umsetzung von 2-Chlorbenzaldehyd (Akzeptor) mit Pyruvat (Donor) herausgegriffen und das Produkt im präparativen Massstab isoliert.
Synthese von 1-(2-Chlorphenyl)-1-hvdroxypropan-2-on
2- 1-(2-Chlorphenyl)-1-hydroxy- propan-2-on (XV||)
(XVII): YerE katalysierte Umsetzung von 2-ChlorbenzaIdehyd zu 1-(2-Chlorphenyl)-1- hydroxypropan-2-on.
10 mg YerE-Protein
90% 1-(2-Chlorphenyl)-1-hydroxypropan-2-on im Roh NMR
Nach Aufreinigung über Säulenchromatographie
(Rf(Cyclohexan / Ethylacetat = 5:1) = 0.25):
11 1 mg 1-(2-Chlorphenyl)-1-hydroxypropan-2-on (60% isolierte Ausbeute)
GC-MS: tfl = 8.80 min m/z = 184 ([M]+; 0.13%), 143 ([C6H4ClCOH]+; 29%), 141 ([C6H4CICOH]+;
100%), 77 ([C6H5J+; 76%), 51 ([C4H3J+; 12%). 1H-NMR: (400 MHz, CDCI3, 25 0C): δ [ppm] = 2.16 (s, 3 H, CH3), 4,37 (d, J =
4.3 Hz, 1 H, OH), 5.61 (d, J = 4.3 Hz1 1 H, CH)1 7.29 - 7.33 (m, 3 H, ar-H), 7.42 - 7.47 (m, 1 H, ar-H).
13 C, -NMR: (100 MHz, CDCI3, 25 0C): δ [ppm] = 25.3 (CH3), 76.5 (CHOH),
127.5 (C-51), 128.9, 129.9, 130.0 (C-3',4',61), 133.4 (C,), 135.6 (C,j,
206.3 (C=O). HPLC: (Chiracel OB, n-Hexan / 2-Propanol = 90 : 10, 0.75 ml • min"1, 20 0C) Rt = 14.62 min (Hauptenantiomer), Rt = 12.58 min (ent). ee = 73.9%
Drehwert: [α]D 23 = - 254.4 (α = - 3.0913, c - 1.2 g/ 100 ml, Chloroform).
MoI-CD: Zur Bestimmung der absoluten Konfiguration des Überschussenantiomeren wurde das CD-Spektrum von 1-{2-Chlorphenyl)-1-hydroxy-propan-2-on mit dem von (R)-Phenylacetylcarbinol ((R)-PAC) verglichen. Das (R)-PAC wurde hierfür über einen enzymatischen Ansatz unter Nutzung des Enzyms Pyruvatdecarboxylase aus Saccharomyces cerevisiae (ScPDC) gewonnen.
Das CD-Spektrum ist in Figur 3 gezeigt.
Da es sich bei (R)-PAC und der mit YerE synthetisierten Verbindung 1-(2-Chlorphenyl)-1-hydroxypropan-2-on um sehr ähnlich aufgebaute Moleküle mit vergleichbaren UV-Chromophoren (Aromat: π→ π*, Carbonylfunktion: n→ π*) handelt, welche die gleiche Konformation einnehmen, kann aus der großen Ähnlichkeit zwischen den CD-Spektren beider Verbindungen (gleiche Minima und Maxima) geschlossen werden, dass es sich bei dem überschüssigen Enantiomer der synthetisierten Verbindung um das (R)-1 -(2-Chlorphenyl)-1 -hydroxypropan-2-on handelt.
b) Ketone als Akzeptoren
Über die absolute Konfiguration der dargestellten enzymatischen Produkte die ausgehend von Ketonen als Akzeptoren erhalten wurden, kann zum jetzigen Zeitpunkt noch keine Aussage getroffen werden, da in diesen Fällen keine Literaturdaten zu entsprechenden Referenzsubstanzen existieren, die eine Zuordnung der absoluten Konfiguration erlauben würden.
Optische Rotation
Drehwert der Produkte durch YerE Katalyse:
1-(3-Hydroxy-tetrahydro-2W- (α = + 0.0564, c = 1.1 g/ 100 ml, Chloroform). pyran-3-yl)-ethanon -Ethy!-3-hydroxyhexan- (α = - 0.1778, c = 1.2 g/ 100 ml, Chloroform).
2,4-dion
-H c = 1.2 g/ 100 ml, Chloroform).

Claims

Ansprüche
1) Verfahren zur Ausbildung einer kovalenten Bindung zwischen zwei Gruppen mit Carbonylresten gemäß der vorliegenden Reaktionsgleichung:
worin
R1 Wasserstoff, eine Carboxylgruppe oder Ci-C6 Alkyl ist und
R2 ein gegebenenfalls mit Halogen und / oder C1-C6 - Alkyl mono-oder disubstituierter aromatischer oder heteroaromatischer Rest oder ein Substituent mit der Formel -A-B-C-D ist, wobei A und C jeweils C1-C6 Alkyl, Carbonyl oder eine kovalente Bindung ist, B ein Heteroatom, ausgewählt aus Sauerstoff und Schwefel und D ein aliphatischer Rest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, ein gegebenenfalls substituierter aromatischer oder heteroaromatischer Rest ist, oder R1 und R2 zusammen einen cyclischen, gegebenenfalls mit einem C1-C6
Alkylrest und/oder mit einem Hydroxyrest mono- oder disubstituierten Alkylrest bildet, der gegebenenfalls ein Heteroatom, nämlich Sauerstoff oder Schwefel enthalten kann, und
R3 Wasserstoff oder Ci-C6 Alkyl ist, dadurch gekennzeichnet.dass die Reaktion durch das Enzym YerE katalysiert wird.
2) Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die umzusetzende Verbindung nicht eine Cytidindiphosphat aktivierte 3,6-Didesoxy-4-Keto-D-glucose ist.
3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe mit der Formel
O
I l
R R (H), bei der Reaktionsgleichung (I) ein Akzeptor ist, bei dem R1 die Bedeutung Wasserstoff, eine Carboxylgruppe oder C1-C6-AIkYl hat und R2 ein gegebenenfalls mit einem Heteroatom und/oder Ci-C6 Alkyl mono- oder disubstituierter aromatischer Rest ist.
4) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe mit der Formel
O
Il
R R1
(II),
bei der Reaktionsgleichung (I) ein Akzeptor ist, bei dem R1 die Bedeutung C1-C6 Alkyl hat und R2 ein Substituent mit der Formel -A-B-C-D ist, wobei A und C die Bedeutung -(CH2K mit n = 1 bis 6 hat oder eine kovalente Bindung ist, B ein Heteroatom, ausgewählt unter Sauerstoff und Schwefel, oder eine kovalente Bindung ist, und D ein mono- oder disubstituierter aromatischer oder heteromaromatischer Rest ist.
5) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass R2 ausgewählt ist aus Gruppen der Formeln:
wobei HaI ausgewählt ist aus F, Cl, Br, oder I.
6) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe mit der Formel
ein Donorsubstrat ist, bei dem R3 die Bedeutung Wasserstoff oder CrCe Alkyl hat.
7) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe mit der Formel (II)
O
Il
R2 1R1
(II),
und die Gruppe mit der Formel (III)
vor der Reaktion gemäß Reaktionsgleichung (I) nicht miteinander kovalent verbunden sind.
8) Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe mit der Formel (II)
O
Il
R R (N),
und die Gruppe mit der Formel (IM)
(lll) schon vor Durchführung der Reaktion gemäß Reaktionsgleichung (I) miteinander kovalent verbunden sind, wobei Rest R1 oder Rest R2 kovalent mit Rest R3 verbunden sind und die kovalente Bindung gemäß Reaktionsgleichung (I) intramolekular erfolgt.
9) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Enzym YerE in Form eines Rohextraktes oder partiell gereinigten Rohextrakts eingesetzt wird, der wenigstens 5 Gew.-% Enzym YerE, bezogen auf das Gesamtprotein, enthält.
10) Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass das Enzym YerE in Form einer gereinigten Enzympräparation eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Enzympräparation wenigstens 80 Gew.-% YerE-Enzym, bezogen auf das eingesetzte Gesamtprotein, enthält.
11) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Enzym YerE rekombinant in einem Wirtsorganismus hergestellt wird, der nicht zum Genus Yersinia gehört.
12) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Enzym YerE eine Aminosäuresequenz aufweist, die zu wenigstens 60% homolog ist zu der SEQ ID NO:2.
13) Verwendung eines isolierten Enzyms YerE zur Ausbildung einer kovalenten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung zwischen zwei Gruppen, die jeweils eine Carbonyl-Gruppe an den zu verbindenden Kohlenstoff-Atomen aufweisen, wobei das dabei entstehende Produkt mit einem hohen Enantiomeren-Verhältnis von > 10:1 entsteht.
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