Fakultät für Chemie

Jun.-Prof. Dr. Stephan Hammer veröffentlicht Artikel zur Synthese von Ketonen durch enzymatische Oxidation von Alkenen in Nature Catalysis

In der synthetischen Chemie ist die Entwicklung von katalytischen Prozessen eine große Herausforderung um gesuchte Moleküle nachhaltiger darzustellen. Ein Ansatz bietet die Biokatalyse. Hier werden Enzyme aus der Natur verwendet, um Stoffumwandlungen zu beschleunigen und zu kontrollieren. Enzyme werden heutzutage großtechnisch eingesetzt, um eine Vielzahl von Produkten herzustellen. Limitiert ist der biokatalytische Ansatz jedoch zum großen Teil auf Enzymklassen, die wir in der Natur finden. Der Arbeitsgruppe um Stephan Hammer (Fakultät für Chemie) ist es nun gelungen, ein neue Enzymfunktion zu entwickeln, welche leicht zugängliche Alkene durch aerobe Oxidation in wichtige Ketone umwandelt.

Ketone sind entscheidende Zwischenprodukte in der Synthese und häufig Bestandteil in vielen wichtigen Produkten. Die direkte regioselektive Darstellung von Ketonen aus internen Alkenen könnte Synthesewege abkürzen und eine seit langem, bestehende Herausforderung in der Synthese lösen. Hierbei handelt es sich um eine gesuchte chemische Transformation, welche bisher auf dem Papier denkbar, aber in der Praxis nur bedingt zugänglich war. Die Enzymentwicklung wurde ermöglicht, indem der Prozess der natürlichen Evolution durch iterative Mutagenese und Selektion auf den Labormaßstab übertragen wurde. Das entwickelte neue Enzym katalysiert die direkte Oxidation interner Arylalkene zu Ketonen mit mehreren tausend katalytischen Zyklen und profitiert von 15 Mutationen, die meisten davon befinden sich distal zum aktiven Zentrum. In Kollaboration mit Dr. Marc Garcia-Borràs (Universität Girona) wurden mechanistische Studien durchgeführt. So konnte zum Beispiel in Computeranalysen gezeigt werden, wie die 15 eingeführten Mutationen zusammenarbeiten, um ein hochreaktives Carbokation-Intermediat zu generieren und dessen Konformationen zu kontrollieren. Das entwickelte Enzym nutzt eine Metall-Oxo-Verbindung als katalytisch-aktive Spezies für die Ketonsynthese und ermöglicht verschiedene anspruchsvolle Funktionalisierungsreaktionen von Arylalkenen. Dazu gehören die katalytische, enantioselektive Oxidation interner Arylalkene zu Ketonen sowie die formale asymmetrische Hydrofunktionalisierungen interner Alkene in Kombination mit anderen Biokatalysatoren. Langfristig können solche neuen Enzymfunktionen nicht nur dabei helfen, Synthesen zu wichtigen Molekülen (wie z.B. Arzneimitteln) abzukürzen und nachhaltiger zu gestalten, sondern erlauben auch Mikroorganismen mit neuen Funktionen auszustatten.

Diese Gemeinschaftsarbeit wurde von den Doktoranden Sebastian Gergel (Universität Bielefeld) und Jordi Soler (Universität Girona) als Co-Erstautoren sowie von Alina Klein, Kai Schülke (beide Universität Bielefeld) und Bernhard Hauer (Universität Stuttgart) unter der Leitung von Marc Garcia Borràs (Universität Girona) und Stephan Hammer (Universität Bielefeld) durchgeführt. Die Arbeit wurde kürzlich in Nature Catalysis veröffentlicht:

Gergel, S., Soler, J., Klein, A. et al. Engineered cytochrome P450 for direct arylalkene-to-ketone oxidation via highly reactive carbocation intermediates. Nature Catalysis, 2023, https://doi.org/10.1038/s41929-023-00979-4