Design of non-native pathways to synthesize polyhydroxylated compounds

Abstract

In den letzten Jahren haben enzymvermittelte Kaskadenreaktionen zu bedeutenden Fortschritten in der asymmetrischen Synthese geführt, um u.a. wichtige Bausteine wie polyhydroxylierte Verbindungen zu erzeugen. Diese hochwertigen chiralen Moleküle (z.B. D-Fagomin, 1-Desoxynojirimycin) konnten aufgrund ihrer Aktivität gegen eine breite Palette von Krankheiten, wie Krebs und Diabetes identifiziert.Da diese Moleküle attraktive Produkte darstellen, wurden verschiedene Synthesestrategien (A) eingesetzt, um diese stereoselektiv zu synthetisieren. Insbesondere wurden Dihydroxyacetonphosphat- (DHAP) oder Dihydroxyaceton/Hydroxyaceton- (DHA/HA) abhängige Aldolasen untersucht, um die Orientierung des Diols zu steuern. Des Weiteren wurden Aldolasen auch in chemo-enzymatischen oder in in vitro-Kaskadenansätzen implementiert (B). Um zeitintensive und atomineffiziente Schutz- und Entschützungsschritte, sowie eine aufwendige Intermediateaufreinigung der beschriebenen Verfahren (A) und (B) zu überwinden, wurden zwei bioinspirierte Strategien (Pathway I and Pathway II) etabliert (C). Diese entwickelten Ganzzell-Biokatalysatoren werden als biokatalytisches Werkzeug für die asymmetrische Synthese der Zielmoleküle eingesetzt. Beide künstliche Stoffwechsel bestehen aus mehreren verschiedenen Enzymen, die eingeführt wurden, um die zentralen Moleküle, den Aldolakzeptor (Aldehyd) und das verwandte Aldolprodukt, bereitzustellen. Die Gesamtleistung von Pathway I wurde durch verschiedene Strategien hinsichtlich genetischer Ebene (Operon-Design) und Prozessparameter (z. B. Aldol-Donor-Konzentration und zellulärer Transport) verbessert. Mittels dem gentechnisch veränderte E. coli-Stamm in Kombination mit einem verfeinerten Festphasenextraktionsprotokoll (SPE), konnten die diastereomer-reinen Zielverbindungen in einer 3fach höheren isolierten Ausbeuten erhalten werden, verglichen mit der Strategie (B). Die Ergebnisse von Pathway II zeigten, dass DHAP-abhängige Aldolasen (FucA und RhuA) unter in vitro Bedingungen nicht ausschließlich das verwandte Diastereomer erzeugen, sondern immer eine syn/anti-Mischung. Zusätzlich wurde die Isolierung und Charakterisierung des entsprechenden phosphorylierten Aldoladdukts auf biokatalytischem und chemischem Weg durchgeführt. Insbesondere waren die dafür erhaltenen NMR-Daten bis dato nicht Literatur bekannt.

Over the past decade, enzyme mediated transformations in a cascade fashion have led to significant advances in asymmetric synthesis to generate important building block structures such as polyhydroxylated carbohydrates or heterocycles. These high value chiral molecules (e.g. D-fagomine, 1-deoxynojirimycin) were identified as essential substructures due to their activity against a wide range of diseases such as cancer and diabetes. Since these molecules represents attractive target products, different synthetic strategies (A) were applied over the years to synthesize them in a stereochemically pure fashion. Especially, dihydroxyacetone phosphate (DHAP) or dihydroxyacetone/hydroxyacetone (DHA/HA) dependent aldolases were investigated to control the orientation of the diol and were also implemented into chemo-enzymatic or in vitro cascade approaches (B). To overcome bottlenecks such as time consuming and atom inefficient protection/deprotection steps as well as elaborate intermediate purification of the described procedures (A) and (B), two bio-inspired strategies (Pathway I and Pathway II) were established (C). These developed