Catalytic promiscuity of 4-oxalocrotonate tautomerase. Discovery and characterization of C-C bond-forming activities

Promotie: mw. E. Zandvoort, 14.30 uur, Academiegebouw, Broerstraat 5, Groningen

Proefschrift: Catalytic promiscuity of 4-oxalocrotonate tautomerase. Discovery and characterization of C-C bond-forming activities

Promotor(s): prof.dr. W.J. Quax, prof.dr. G.J. Poelarends

Faculteit: Wiskunde en Natuurwetenschappen

Promiscue enzymen nuttig voor kunstmatige synthese

Ook een enzym kan promiscue zijn. Katalytisch promiscue dan, waarbij het enzym naast zijn natuurlijke activiteit een alternatieve reactie (of reacties) katalyseert. Het is een verschijnsel, dat als recent ontdekt concept erg relevant is voor het ontwerpen van nieuwe enzymen. Ellen Zandvoort toont aan dat het screenen op nieuwe promiscue reacties op basis van de unieke eigenschappen van een enzym - in haar geval de aanwezigheid van een katalytisch N-terminaal proline met de reactiviteit om enamines te vormen met carbonylverbindingen - een krachtige strategie is om nieuwe, synthetisch relevante katalytische transformaties te vinden.

Enzympromiscuïteit is een veelbelovende bron van synthetisch relevante katalytische transformaties. De uitdaging is om gebruik te maken van de kennis van reactiemechanismes om nieuwe promiscue reacties te ontdekken en vervolgens deze promiscuïteit in te zetten voor het creëren van op maat gemaakte biokatalysatoren.

Het enzym 4-oxalocrotonaat tautomerase (4-OT) katalyseert tautomerisatie reacties en gebruikt daarbij een uniek N-terminaal proline residue (pKa~6.4) als katalytische base. Zandvoort heeft, geïnspireerd door het succes van L-proline in de organokatalyse van C-C bindingvormende reacties, onderzocht of het proline-gebaseerde enzym 4-OT in staat is om onnatuurlijke C-C bindingvormende reacties te katalyseren. Ze vond dat 4-OT katalytisch promiscue is en C-C bindingvorming katalyseert in verschillende aldol (condensatie) reacties en een Michael-additiereactie. Het product van deze laatste reactie is 4-nitro-3-fenylbutanal gevormd, dat een bouwsteen is voor het antidepressivum Phenibut (4-amino-3-fenylbutaanzuur). Verder ontdekte Zandvoort een promiscue cis-trans-isomerisatie activiteit. Karakterisatie van de verschillende activiteiten wees uit dat het N-terminaal proline residu inderdaad essentieel is voor al deze promiscue reacties en dat katalyse waarschijnlijk plaatsvindt via een enamine intermediair.

Ellen Zandvoort (Drachten, 1983) studeerde biomoleculaire wetenschappen aan de RUG. Haar promotieonderzoek deed zij daar bij de afdeling Farmaceutische Biologie binnen het Groningen Research Institute of Pharmacy (GRIP). Haar onderzoek valt binnen een onderzoekslijn gericht op de ontwikkeling van enantioselectieve proline-gebaseerde biokatalysatoren voor alkylering, Michael additie en aldol reacties. Het doel is deze biokatalysatoren als synthetische strategie toe te passen in de productie van medicijnen en fijn chemicaliën. Zandvoorts onderzoek werd gefinancierd door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) met een Vidi-subsidie en door het European Research Council (ERC) met een ERC Starting grant. Beide subsidies toegekend aan prof.dr. G.J. Poelarends.