Амиды и тиоэфиры — повсеместно распространённые химические соединения, используемые для производства лекарств, натуральных продуктов и современных материалов. Традиционно их синтез связан с рядом проблем: применение неэффективных реагентов, токсичных металлов или энергозатратных условий.
Использование ферментов может предложить экологически чистую и эффективную альтернативу. Однако для биокаталитического преобразования обычно требуются дорогостоящие кофакторы (вспомогательные молекулы), такие как АТФ. Кроме того, возможности ферментативного преобразования могут быть довольно ограничены, что приводит к получению лишь нескольких структурных разновидностей желаемого продукта.
В исследовании, опубликованном в Angewandte Chemie International Edition, учёные в области биокатализа демонстрируют, как можно относительно просто производить амиды и тиоэфиры с помощью ферментов алкогольдегидрогеназы (АДГ). Им также удалось расширить возможности этого ферментативного преобразования с помощью инженерной модификации ферментов.
В природе алкогольдегидрогеназы катализируют окисление спирта до карбонилсодержащего соединения, откуда и произошло их название. Поскольку это обратимая реакция, АДГ также могут катализировать восстановление карбонилсодержащих соединений до спиртов. Направление «восстановления» наиболее часто используется в промышленности, в частности, для получения хиральных вторичных спиртов из прохиральных кетонов. Поэтому эти ферменты также называют карбонилредуктазами или кеторедуктазами.
Текущее исследование добавляет в промышленный инструментарий, используя прямой путь окисления спирта. В своей статье команда описывает, как им удалось «научить АДГ новому трюку»: создавать прямые связи между спиртами и аминами или тиолами.
В чём же заключается этот трюк? Когда АДГ окисляет спирт до альдегида, альдегид может тут же вступить в реакцию с амином или тиолом, которые действуют как нуклеофилы. Эта дополнительная реакция создаёт промежуточные соединения, называемые соответственно полуаминалями или полутиоацеталями.
Вместо того чтобы останавливаться на этом, фермент продолжает выполнять вторую стадию окисления этих промежуточных соединений. В результате образуются амиды или тиоэфиры, которые являются высоко ценными соединениями в промышленном синтезе.
Испытывая ряд АДГ, исследователи смогли выявить новую «окислительную связь» примерно в половине случаев. Выход достигал 99% при использовании всего 0,1 моль% фермента по сравнению с субстратом — спиртом. Также была доказана масштабируемость реакции.
В результате такое применение АДГ открывает путь к эффективному и чистому синтезу амидов и тиоэфиров. Без необходимости использования дорогостоящего АТФ, активированных промежуточных соединений или жёстких условий реакции — только фермент, воздух и водный буфер.
Чтобы ещё больше расширить возможности, исследователи использовали белковую инженерию. Мутируя ключевые остатки и открывая активный центр, модифицированный фермент позволил использовать более крупные амины и тиолы, что сделало возможным синтез ещё более сложных амидов и тиоэфиров. Исследователи ожидают, что в будущем возможности станут гораздо шире благодаря дополнительной белковой инженерии и тестированию других АДГ.
Эта работа показывает, как изучение и настройка «скрытой реактивности» известных ферментов может привести к новым полезным биопревращениям. Этот экологичный и универсальный метод обеспечивает устойчивую платформу для синтеза строительных блоков, имеющих важное значение для фармацевтики, агрохимикатов и биоматериалов, внося значительный вклад в более чистую промышленную химию.
Предоставлено:
Университет Амстердама.