Nuevas Aplicaciones de la L-Serina Hidroximetiltransferasa y la Benzaldehído Liasa en Síntesis Orgánica

Abstract

Las enzimas son importantes aliados en la síntesis de complejas moléculas orgánicas. Estos biocatalizadores ofrecen una elevada quimio, regio y estereoselectividad. Debido a esto se minimiza la formación de subproductos por reacciones competitivas no deseadas y se obtienen, por lo general, productos con una elevada pureza estereoquímica. Una especial atención, por sus aplicaciones en Química Orgánica, han recibido las enzimas que median la formación de enlaces C-C. Estas liasas catalizan la síntesis de moléculas complejas muchas de las cuales poseen variadas actividades biológicas. En el trabajo titulado: Nuevas Aplicaciones de la L-Serina Hidroximetiltransferasa y la Benzaldehído Liasa en Síntesis Orgánica se estudia las potencialidades de estos biocatalizadores en la síntesis de alfa,alfa-diarquía-alfa-aminoácidos, C-arilmonosacáridos y moléculas cíclicas derivadas del 7,8,14,15-tetrahidro-6H-dibenzo[f,j][1,5]dioxacicloundeceno a través de reacciones de carboligación. Para ello este estudio se ha dividido en 3 apartados:

APARTADO 3.1. Se muestra el diseño de nuevas variantes de la L-serina hidroximetiltransferasa de Streptococcus thermophilus (SHMTSth) que catalizan la síntesis de beta-hidroxi- alfa,alfa -dialquil-alfa-aminoácidos. Utilizando la ingeniería de proteínas y un diseño semirracional se incrementó la selectividad de la SHMTSth nativa hacia otros sustratos diferentes de la Gly. Por medio de esta metodología se encontraron tres variantes de la enzima, Y55T, Y55C y Y55S que catalizaron la adición aldólica de D-Ala y D-Ser a diferentes aldehídos. La SHMTSth Y55T resultó ser el biocatalizador más activo y permitió sintetizar beta-hidroxi- alfa,alfa -dialquil-alfa-aminoácidos con una elevada estereoselectividad (> 95 %).

APARTADO 3.2. En este apartado se describe como se acoplan las potencialidades sintéticas de una enzima tiamin dependiente con dos aldolasas a través de dos etapas químicas sencillas en la síntesis de C-arilmonosacáridos. La primera reacción enzimática consistió en la adición benzoínica cruzada de varios aldehídos aromáticos a dimetoxiacetaldehído, catalizado por benzaldehído liasa de Pseudomonas fluorescens biovar I (BAL). Esta reacción alcanzó conversiones superiores al 95 % y se realizó en un sistema tampón:MTBE (1:1 v/v) donde el producto se separó en la fase orgánica y se utilizó directamente en la siguiente etapa de síntesis. Posteriormente se redujeron las (R)-1-aril-2-hidroxi-3,3-dimetoxipropan-1-onas, utilizando NaBH4, con una elevada diastereoselectividad hacia la formación del diol anti (= 90 %). A continuación se hidrolizó el grupo acetal en medio ácido (H2SO4 2 M) y los (2S,3S) 3-aril-2,3-dihidroxipropanal obtenidos fueron utilizados en reacciones de adición aldólicas con diferentes sustratos dadores: dihidroxiacetona (DHA), hidroxiacetona (HA) y glicolaldehído (GO), catalizadas por D-fructosa-6-fosfato aldolasa (FSA) y sus variantes A129S y A129T respectivamente. Esto permitió sintetizar derivados de L-sorbosa (DHA), 1-desoxi-L-sorbosa (HA) y L-xilosa (GO). También se realizó la reacción de adición aldólica de DHA a los dihidroxialdehídos en tampón borato catalizado por L-ramnulosa-1-fosfato aldolasa (RhuA). Por medio de esta reacción se obtuvieron análogos de L-fructosa y L-tagatosa.

APARTADO 3.3 En esta sección se describe la adición benzoínica intramolecular catalizada por BAL. Con la síntesis de varios dialdehídos aromáticos se encontraron los requerimientos estructurales del sustrato para que la enzima catalizara la reacción de carboligación intramolecular. De los posibles sustratos ensayados, el 2,2'-(propano-1,3-diilbis(oxi))dibenzaldehído permitió obtener el ciclo (R)-15-hidroxi-7,8-dihidro-6H-dibenzo[f,j][1,5]dioxacicloundecen-14(15H)-ona como único productos en la reacción enzimática con conversiones superiores al 75 %. A partir de aquí se sintetizaron otros dialdehídos con los que sintetizaron análogos de 7,8,14,15-tetrahidro-6H-dibenzo[f,j][1,5]dioxacicloundeceno. De este estudio se determinó que la BAL cataliza reacciones de adición benzoínica intramolecular de aldehídos aromáticos unidos por una cadena espaciadora, propano-1,3-oxi, en posición 2,2´. La enzima también toleró sustituciones en posición 3,3´y 5,5´ del anillo aromático así como dialdehídos derivados de la piridina.

Alpha,alpha-Disubstituted alpha-amino acids are central to biotechnological and biomedical chemical processes as their own sake and as substructures of biologically active molecules for diverse biomedical applications. Structurally, these compounds contain a quaternary stereocenter, which is particularly challenging for stereoselective synthesis. The pyridoxal 5’-phosphate (PLP)-dependent L-serine hydroxymethyltransferase from Streptococcus thermophilus (SHMTSth; EC 2.1.2.1) catalyzes the aldol addition reaction of Gly to aldehydes. We have developed by structure-based engineering a versatile SHMTSth biocatalyst with a wide spectrum of donor and acceptor selectivity overcoming the limitation of the native enzyme for Gly. We have constructed a SHMTSth variant that effectively accomplishes the stereoselective formation of quaternary stereocenters via aldol addition of D-Ala and D-Ser to a wide acceptor scope including aromatic, aliphatic aldehydes as well as hydroxy and nitrogen containing aldehydes to obtain a broad structural variety of alpha-methyl or alpha-hydroxymethyl,alpha-substituted alpha-amino acids.

The “de novo” synthesis of carbohydrates and their derivatives (e.g. deoxysugars) is challenging due to the lengthy and time consuming cumbersome protective group strategies. Here, a highly expedient asymmetric synthetic route based on benzoin and aldol biocatalytic reactions for the preparation of new aryl carbohydrate derivatives is presented. The benzoin condensation of aromatic aldehydes to dimethoxyacetaldehyde catalyzed by benzaldehyde lyase from Psedomonas fluorescens biovar I, stereoselective reduction of the carbonyl group and acetal hydrolysis was then followed by the aldol addition of dihydroxyacetone, hydroxyacetone or glycolaldehyde catalyzed D-fructose 6-phosphate aldolase and L-rhannulose-1-phosphate aldolase.

New intramolecular benzoin reaction was described using benzaldehyde lyase from Psedomonas fluorescens biovar I as biocatalyst. Different aromatic dialdehydes were tested and the 2,2'-(propane-1,3-diylbis(oxy))dibenzaldehydo yield cycle (R)-15-hydroxy-7,8-dihydro-6H-dibenzo[f,j][1,5]dioxacicloundecen-14(15H)-one as a single products (75 % conversion). Other dialdehydes analogs of A were synthesized and were obtained cycles derivate of 7,8,14,15-tetrahydro-6H-dibenzo[f,j][1,5]dioxaciclo undecene.