Natürliche Pigmente in photobiokatalytischen Redox-Kaskaden

Lichtgetriebene Reaktionen verfügen über ein großes Potential in der Synthesechemie bedingt durch die faszinierenden Möglichkeiten von natürlichen photosynthetischen Systemen hinsichtlich der Umsetzung von Solarenergie in chemische Energie. Photo-redox-Katalyse wurde demnach für den Transfer von Elektronen zwischen chemischen Verdindungen eingesetzt unter Lichtanregung von geringen Mengen lichtsensitiver Verbindungen. Enzymkatalyse (i.e. Biokatalyse) verfügt über eine Reihe von Vorteilen gegenüber konventioneller Katalyse in Bezug auf Effizienz, Enantioselektivität und Umweltfreundlichkeit. Der Flavin-Kofaktor spielt mittels seiner reduzierten Form eine wesentliche Rolle in der Katalyse von in vitro wie in vivo Systemen. Die Photoreduktion von Flavinderivaten mittels Elektronentransfer ist in diesem Zuammenhang bereits länger bekannt. Betanin (Bn) ist ein wasserlösliches und nicht-toxisches natürliches Pigment das aus Rüben extrahiert werden kann. Die hohe antioxidative Aktivität zusammen mit der geringen Aktivirungsenergie für den ersten Oxidationsprozess von Bn legt dieses natürliche Pigment als einen guten Elektronendonor für photochemische Reaktionen von Flavinen nahe. Das gegenständliche Projekt zielt daher darauf ab, das Potential von Bn als Verbrauchsmaterial und Elektronendonor mittels Photo-redox-Katalyse für die reduktive Regeneration von flavin- abhängigen Monooxygenasen (z.B. BVMOs) sowie Reduktasen (z.B. EREDs) zu untersuchen. Darüberhinaus soll ein substratunabhängiger Katalyseaktivitätstest entwickelt werden, welcher in Kombination mit einem Test für die Wasserstoffperoxidbildung als Nebenreaktionspfad bei flavin- abhängigenEnzymen eineeffiziente Bestimmung derkatalytischen Integrität dieser Biokatalysatoren ermöglicht. Die erfolgreiche Etablierung dieser Methode eröffnet neuartige colorimetrische Kontrolle von Biotransformationen mit flavin-abhängigen Enzymen.

Die Verwendung von Enzymen für synthetische Anwendungen ist ein kraftvoller und umweltfreundlicher Ansatz bei der Synthese chemischer und pharmazeutischer Bausteine für die chemische Produktion. Eine breitere Anwendung von Enzymen ist jedoch durch das Erfordernis teurer Chemikalien und eine niedrige Enzymstabilität begrenzt. Ziel dieses Projekts war es, die Betriebskosten für den Einsatz isolierter Enzyme bei der Herstellung von Bausteinen für die chemische Produktion mit einem lichtgetriebenen Prozess und natürlichen Pigmenten zu senken. Darüber hinaus sollte der Reaktionsverlauf durch die Veränderung der Farbe des natürlichen Pigments überwacht werden, wodurch eine neue Nachweismethode für den Einsatz von Enzymen etabliert wird. Die lichtgesteuerte Aktivierung von Enzymen erwies sich als eine schnelle und kostengünstige Methode in der organischen Synthese. Die Aktivierung von Enzymen durch Licht führt zu chemischen Umwandlungen, die bei der Synthese von chemischen und pharmazeutischen Bausteinen anwendbar sind. Mit diesem Projekt konnte die Enzymstabilität erfolgreich verbessert werden, eine der Haupteinschränkungen für den breiten Einsatz von Enzymen in der Industrie. Es war auch möglich, die Wirkung der Reaktionskomponenten auf den lichtgesteuerten Prozess und auf die Enzymstabilität zu verstehen,um effizientere Prozessezu entwickeln.Enzymesind auch Schlüsselkomponenten von biologischen Prozessen, die an Krankheiten beteiligt sind. Somit werden unsere Ergebnisse nicht nur dazu beitragen, die Anwendung des Feldes zu erweitern, sondern auch die Dynamik von enzymatischen Transformationen, die elektronische angeregte Zustände involvieren, zu verstehen.