Exploiting Catalytic Promiscuity for Biocatalysis: Carbon-Carbon Bond Formation by a Proline-Based Tautomerase

Een belangrijk thema bij het ontwikkelen van nieuwe biokatalysatoren is katalytische promiscuïteit, waarbij een enzym alternatieve reacties katalyseert naast de reactie die biologisch relevant is. Promiscue enzymactiviteiten zijn een veelbelovende bron van synthetisch bruikbare katalytische omzettingen. Aangezien het actieve centrum van de meeste enzymen is opgebouwd uit meerdere potentiële katalytische groepen die kunnen dienen als zuren, basen of nucleofielen, zijn promiscue enzymactiviteiten waarschijnlijk wijdverspreid en gekoppeld aan het chemisch potentieel van het actieve centrum. Hierin liggen prachtige uitdagingen en kansen om op basis van mechanistische voorspellingen nieuwe promiscue activiteiten van enzymen te ontdekken die gebruikt kunnen worden als beginpunten voor de ontwikkeling van nieuwe biokatalysatoren. Yufeng Miao heeft onderzocht of het enzym 4-oxalocrotonaat tautomerase (4-OT) katalytische promiscuïteit heeft voor koolstof-koolstof bindingvormende reacties. 4-OT katalyseert van nature enol-keto tautomerisatie reacties en heeft een karakteristieke katalytische N-terminale proline. Op basis van de aanwezigheid van deze nucleofiele proline in het actieve centrum van 4-OT, werd voorspeld en ontdekt dat 4-OT Michael-type addities van alifatische aldehydes aan nitrostyreen derivaten kan katalyseren. De producten van deze reacties zijn γ-nitroaldehydes, belangrijke chemische bouwstenen voor de productie van farmaceutisch relevante γ-aminoboterzuren (GABA derivaten) zoals phenibut (kalmeringsmiddel), baclofen (spierverslapper) en pregabaline (anti-epileptica). Naast deze Michael-type additie reacties werd ontdekt dat 4-OT tevens inter- en intramoleculaire aldol reacties kan katalyseren. De uitkomsten van dit werk kunnen bijdragen aan vernieuwend onderzoek op de gebieden van “protein engineering” en biokatalyse, omdat de ontdekte promiscue enzymactiviteiten kunnen dienen als cruciale beginpunten voor de ontwikkeling van compleet nieuwe biokatalysatoren voor koolstof-koolstof bindingvormende reacties.