Design von künstlichen Enzymen für Baylis-Hillman Reaktion

Das Ziel dieses Projektantrags ist das Design eines künstlichen Enzyms, welches eine Reaktion katalysiert, die in der Natur nicht vorkommt. Enzyme sind biologische Katalysatoren, die Reaktionen beschleunigen, und gehören zu den Proteinen (Eiweiße). Als Beispielreaktion wurde die Baylis-Hillman Reaktion ausgewählt. Mit dieser Reaktion wird eine Bindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen hergestellt und damit nützliche Produkte, wie zum Beispiel Medikamente oder Bausteine dafür, synthetisiert. Darunter fallen vor allem auch chirale Moleküle. Das sind Moleküle, die man nicht übereinanderlegen kann so wie die linke Hand nicht mit der rechten übereinstimmen. Für die Herstellung dieser können Proteine verwendet werden, die so arbeiten, dass nur eines der beiden spiegelbildlichen Moleküle erzeugt wird. Unser Ziel ist es, mit unserem Enzym einerseits einen chiralen Baustein für ein Zytostatikum, das zur Behandlung von Krebs verwendet wird zu synthetisieren. Andererseits wollen wir einen chiralen Duftstoff herstellen, der ein Insekt, den Kornkäfer, anlocken kann. Dieser Käfer ist einer der größten Schädlinge, die gelagerten Getreide befallen. Mit unseren Methoden wäre für beide Substanzen eine ressourcenschonendere und umweltfreundlichere Synthese möglich Dafür werden Proteine mit Hilfe von Literaturrecherche und mittels Computerprogrammen ausgewählt, die eine Art Tasche bereitstellen, in der dann ein bekannter Katalysator, ein kleines organisches Molekül (Organokatalysatoren), fixiert wird. Dieser ist dann für die Katalyse der Reaktion verantwortlich, während die Tasche eine Form bereitstellt, in der nur eines der beiden spiegelbildlichen Moleküle entstehen kann. Die generelle Struktur der erhaltenen Enzyme wird im Detail analysiert, um später das erworbene Wissen für das Verbessern der chiralen Synthese wie auch der katalytischen Aktivität zu nutzen. Um das Protein in seinem Aussehen zu verändern, werden verschiedene Computerprogramme genutzt. Bis jetzt sind mehrere künstliche Enzyme in der Literatur zu finden, jedoch sind diese fast alle Metall-basierende Katalysatoren und es ist nur ein Fall erwähnt, bei dem ein Organokatalyst verwendet wurde. Für die Baylis-Hillman Reaktion wurde überhaupt noch nie ein künstliches Enzym beschrieben. Dieser neue Ansatz verbindet künstliche Enzyme mit Organokatalysatoren und das Design von diesen mittels Computer. Neue Erkenntnisse im Bereich von Protein Design wie auch in der Schaffung von künstlichen Enzymen können hierbei gewonnen werden. Um dieses Forschungsprojekt durchzuführen wurde die Protein Design Gruppe unter der Leitung von Prof. Dr. Höcker an der Universität Bayreuth ausgewählt. Ihre Erfahrungen im Bereich Protein Design sowie in Strukturaufklärung ergänzen die Qualifizierungen des Antragsstellers, der einen starken Hintergrund in der Biokatalyse, aber auch in organischer Synthese und Erfahrungen in Computerprogrammen für Protein Design hat.

Enzyme sind Proteine mit katalytischer Funktion. Sie gelten als grüne Katalysatoren, da sie von Organismen produziert werden. Zusätzlich haben sie den Vorteil, dass sie sehr selektiv gewisse Reaktionen ausführen und Substrate verwenden können, die manchmal zu Produkten führen die mit "konventioneller" Katalyse nicht machbar sind. Der Nachteil ist, das wir von der Natur nur Enzyme für ein limitiertes Set an Reaktionen und Substraten erhalten können. Chemiker*innen brauchen oft andere Substrate und Reaktionen als jene die von der Natur bereitstellt werden um z.B. grünere Syntheserouten für die Herstellung von pharmazeutischen Produkten zu entwickeln. Um neue enzymatische Aktivitäten erschaffen zu können gibt es mehrere Wege. Wir haben diese Methoden genutzt um ein Enzyme zu designen welches eine Reaktion katalysiert, das bisher von keinem Enzyme in der Natur katalysiert wurde. Die Zielreaktion ermöglicht die Formation einer Kohlenstoff-Kohlenstoffbindung, eine Reaktion die sehr wichtig ist, auf einem sehr eleganten und effizienten Weg. Einer der zuvor genannten Methoden ist computergestütztes Proteindesign. Der Nachteil dieser Methode ist die oft initial sehr geringe Aktivität verglichen mit Enzymen die in der Natur vorkommen. Wir schaffen es (noch) nicht alle Eigenschaften eines Enzyms so zu modellieren das wir es auch in sinnvollen Zeitrahmen berechnen können, wir verwenden vereinfachte Modelle. Ein Weg um das Problem der anfänglichen Aktivität zu übergehen ist die Verwendung eines Kofaktors, welcher schon die benötigte Aktivität hat. Kofaktoren werden auch in der Natur verwendet - manche Vitamine sind einer. Sind sind Katalysatoren die, im Besonderen wenn in ein Protein eingebettet ihre Aktivität entfalten. Wir haben eine Variation eines schon beschriebenen Katalysators welcher in der Natur nicht verwendet wird genommen und in ein bestimmtes Protein eingebaut. Die Reaktion wurde computergestützt modelliert und Varianten des Proteins wurden berechnet, die den Kofaktor und die Substrate aufnehmen können. Diese Problem zu lösen ist weniger komplex, als ein neues Enzym in alles Aspekten zu designen, das die katalytische Aktivität schon präsent ist. Nach mehreren Runden von Proteinstrukturlösung und Proteindesign war ein neues Enzym erhalten worden, welches die Zielreaktion katalysiert. Wir haben schlussendlich einen neuen Kofaktor synthetisiert, diesen in ein modifiziertes Protein eingebettet, die Struktur diese Enzyms gelöst sowie theoretische Berechnungen zu dem Reaktionsmechanismus durchgeführt. Schlussendlich haben wir unser Zielprodukt mit dem neuen Enzym synthetisiert.