Exploitation of chemo-multi-enzymatic cascade processes in the stereoselective synthesis of fine chemicals

Field: Chemistry (Physical Sciences)

Lo sviluppo di processi chimici puliti ed efficienti e diventato uno dei principali obiettivi dell'industria chimica. Gli enzimi sono considerati intrinsecamente biodegradabili e non tossici, inoltre catalizzano un'ampia gamma di reazioni con eccellente chemio-, regio- e stereoselettivita. La loro capacita di lavorare in condizioni blande e di produrre una bassa quantita di rifiuti e sottoprodotti e molto apprezzata, specialmente per la produzione di prodotti chimici fini e molecole bioattive. Inoltre, gli enzimi, rispetto alla catalisi classica, sono particolarmente adatti per essere integrati nei processi a cascata, poiche operano tipicamente in condizioni di reazione molto simili (temperatura ambiente, pH e pressione atmosferica). Infine, ma non meno importante, l'impostazione di processi multi-enzimatici e interessante perche evita possibili inibizioni del substrato / prodotto.
L'attivita biologica delle molecole chirali e fortemente correlata alla loro configurazione stereochimica assoluta. Ad esempio, in molti casi e attivo solo uno stereoisomero di un farmaco, mentre il suo enantiomero mostra spesso un'attivita diversa. Per tutte queste ragioni, la sintesi stereoselettiva delle sostanze chimiche chirali e diventata essenziale nell'industria.
Questo lavoro di ricerca ha investigato l'integrazione di enzimi isolati e / o di cellule intere in complesse procedure sintetiche stereoselettive, a questo proposito la tesi e stata organizzata in quattro argomenti principali:
1. Progettazione di procedure multi-enzimatiche stereoselettive:
Questa parte comprende la progettazione e lo sviluppo di nuove procedure multi-enzimatiche stereoselettive che coinvolgono enzimi redox (Ene-riduttasi e alcol-deidrogenasi) per l'ottenimento di prodotti di rilevanza industriale: i) gli stereoisomeri odorosi piu interessanti della fragranza commerciale Muguesia® e di il sapore di Maillard alla carne arrostita; ii) i quattro stereoisomeri enantiomericamente puri del feromone di insetto 4-metileptan-3-olo. Inoltre, in questa parte e descritto l'accoppiamento dell'attivita dell'ene-reduttasi con l'amminazione riduttiva mediata dagli enzimi ω-transaminasi. Questo processo multienzimatico e stato applicato per la trasformazione di chetoni -insaturi in ammine enantiopure.
2. Sviluppo di biocatalizzatori per applicazioni specifiche nella sintesi asimmetrica mediante ingegneria proteica:
Qui, e descritto il tentativo di comprendere meglio il meccanismo di legame dei substrati nel sito catalitico delle Ene-riduttasi OYE1 e OYE3. Infatti, nonostante l'elevata somiglianza dei siti attivi sono stati individuati diversi orientamenti che producono risultati stereochimici opposti nella riduzione di doppi legami C = C. Soprattutto, e stata investigata la risposta di OYE3 alle mutazioni su Trp 116 (libreria OYE3-W116X), che e molto influente per la stereoselettivita in OYE1. Inoltre, e descritto lo sviluppo di un saggio colorimetrico veloce e sensibile (FRED, rilevamento rapido e affidabile delle ene-reduttasi) per la stima delle conversioni delle reazioni catalizzate da ene-reduttasi (ER), questa metodologia e stata molto utile per screenare rapidamente un gran numero di varianti.
3. Caratterizzazione di nuove attivita enzimatiche da funghi filamentosi:
Nella terza parte e descritta la possibilita di sfruttare il flusso metabolico naturale del fungo filamentoso Syncephalastrum racemosum come cascata multienzimatica per la riduzione di esteri e acidi carbossilici in alcoli primari; una nuova attivita enzimatica, acido carbossilico reduttasi, e stata identificata e il suo spettro di substrati e stato investigato.
Successivamente e stato riportato lo screening di una collezione di funghi filamentosi per l'identificazione di una nuova attivita enzimatica ossidativa. Infine, questa attivita enzimatica e stata integrata in una sintesi stereoselettiva chemo-biocatalitica in 3 fasi di γ-oxoesters ciclici.
4. Screening di una collezione di funghi filamentosi per l'identificazione di nuove attivita enzimatiche:
Questa parte comprende il lavoro svolto in collaborazione con il gruppo di ricerca della Prof.ssa Cristina Varese (UniTo) nello screening della collezione fungina della Mycoteca Universitatis Taurinensis (Dipartimento di Scienze della vita e Biologia dei sistemi).