Síntesi quimioenzimàtica d'iminociclitols mitjançant aldolases natives i modificades genèticament

Abstract

Els iminociclitols són compostos alcaloides cíclics polihidroxilats mimètics de sucres, en els quals l’àtom d’oxigen endocíclic es troba substituït per un àtom de nitrogen. Són atractius farmacològicament ja que molts d'ells mostren activitat inhibidora d'enzims relacionats amb el processament d'hidrats de carboni i han resultat vitals pel desenvolupament de nous fàrmacs, com antiinflamatoris, antitumorals, antivírics i antibiòtics. Així doncs, és un repte i objectiu important disposar d’aquestes molècules polifuncionalitzades mitjançant síntesis senzilles. La síntesis orgànica clàssica d’aquestes molècules és complexa a causa de principalment tres factors: la necessitat de múltiples i complexes seqüències de protecció/desprotecció, dificultats en el control de la estereoselectivitat a causa de l’elevat nombre de centres estereogènics i en el seu aïllament i purificació. Per tant, una bona alternativa és la utilització d’enzims com catalitzadors en síntesis asimètriques donat els avantatges sobre les metodologies químiques clàssiques com són l’elevat grau de control de la estereoquímica i les condicions suaus de reacció. Les reaccions es duen a terme en medi aquós, fet que ofereix una opció mediambiental més atractiva. En la present Tesi es presenten excel·lents estratègies quimioenzimàtiques per a l'obtenció d'iminociclitols mono i bicíclics on l'etapa clau i central del procés és l'addició d'un donador a un aldehid acceptor catalitzada per aldolases natives o modificades genèticament. Les aldolases són un grup específic de liases que catalitzen de manera reversible la formació estereoselectiva d’enllaços caboni-carboni mitjançant una reacció aldòlica. Generalment aquests enzims són molt selectives en quan a llur tolerància del substrat donador (nucleòfil), però accepten una gran diversitat estructural d’aldehids acceptors (electròfil). En aquest treball s'han emprat aldolases dependents de glicina, de dihidroxiacetona fosfat (DHAP) i la D-fructosa 6-fosfat aldolasa d’Escherichia coli (FSA). En la primera part de la Tesi, es presenta un innovadora estratègia quimioenzimàtica que permet la síntesi d'una col·lecció de noves estructures de derivats polihidroxilats de l'àcid pipecòlic, homoiminociclitols piperidínics i pirrolidínics a partir de substrats simples i aquirals en tres passos sintètics i creant fins a cinc centres estereogènics. L'estratègia es basa en dues etapes claus d'addició aldòlica consecutives biocatalítiques. En la primera etapa clau biocatalítica s'empraren aldolases dependents de glicina, obtenint derivats d'àcid .-hidroxiamínics amb estereoquímica controlada. Llurs adductes aldòlics obtinguts es convertiren en els substrats de la segona etapa clau per mitjà de transformacions químiques senzilles. Les aldolases dependents de glicina D-treonina aldolasa són poc conegudes. Per això, prèviament es dugué a terme un estudi de la producció de la D-treonina aldolasa d'Achromobacter xylosoxidans i la seva aplicabilitat com a biocatalitzador. En la subsegüent etapa aldòlica clau, s'empraren les aldolases dependents de DHAP rhamnulosa 1-fosfat aldolasa i fuculosa 1-fosfat aldolasa, ambdues de E.coli, i la FSA. Finalment, els productes finals s'obtingueren per mitjà de l'aminació reductiva dels adductes aldòlics obtinguts.

En la segona part del treball es presenta la síntesi d'una col·lecció de 47 iminociclitols mono i bicíclics de tipus pirrolidines, piperidines, pirrolizidines, indolizidines i quinolizidines. L'etapa clau en aquesta síntesi fou l'addició aldòlica dels donadors a-hidroxicarbonílics DHA, HA i GO a N-Cbz-aminoaldehids catalitzades per noves variants de FSA. L’iminosucre final s’obté per mitjà de la desprotecció del grup amino i aminació reductora en un sol pas per hidrogenació catalítica de l'adducte aldòlic. Les noves variants de FSA s'obtingueren prèviament en aquest treball a partir del redisseny del centre catalític de l'enzim per enginyeria de proteïnes a fi d'incrementar l'afinitat d'aquest biocatalitzador en les addicions aldòliques d'interès de DHA, HA i GO a N-Cbz-aminoaldehids voluminosos o conformacionalment restringits. Les noves variants de FSA es produïren a partir de les plataformes FSA A129S/A165G per DHA i HA i FSA L107Y/A129G/A165G per GO per mitjà de mutagènesi de lloc dirigit o de saturació de lloc. Les variants FSA A129S/R134X/A165G/S166G i FSA L107Y/A129G/R134X/A165G/S166G on X: P, R, S i V generaren conversions més elevades en les addicions aldòliques d'interès.

Iminocyclitols are an attractive class of glycomimetics which possess inhibitory properties against glycosidases and glycosyltranferases and an enormous therapeutic potential for the treatment of several diseases such as cancer, viral infections, type II diabetes, and lysosomal storage disorders, among others. The synthesis of these compounds can be obtained by chemoenzymatic strategies in an excellent and fashion way.

A chemoenzymatic approach in organic synthesis is based on the combination of chemical reactions and biocatalytic, using microorganism or enzymes, to prepare organic compounds with minimal steps and high atom economy. Furthermore, the mild conditions required for enzymatic transformations and the use of water as a solvent makes biocatalysis one of the greenest technologies able to fulfill the ongoing need for economically and environmentally more sustainable industrial processes.

Among enzymes, aldolases are one of the most promising classes of biocatalysts being able to construct chiral molecular frameworks from simple precursors by means of direct asymmetric aldol additions.

In the first part of this Thesis a multistep chemoenzymatic synthesis for stereodiverse polyhydroxypipecolic acid analogues, homoiminocyclitols and polyhydroxylated piperidine and pyrrolidine derivatives combining glycine-dependent aldolases and both D-fructose-6-phosphate aldolase (FSA) or dihydroxyacetone phosphate (DHAP)-dependent aldolases is presented. The methodology allowed the preparation of known and innovative imine-derived molecules with a great structural diversity from simple achiral substrates. In the second part, a structure-guided redesign of D-fructose-6-phosphate aldolase from E. coli (FSA) was devised for improving the acceptor tolerance towards alpha-substituted and conformationally constrained aldehydes. FSA A129S/R134X/A165G/S166G and L107Y/A129G/R134X/A165G/S166G variants, where X was R, V, P, or S were the most suited biocatalysts for dihydroxyacetone, hydroxyacetone and glycolaldehyde additions to 20 alpha-substituted N-Cbz-aminoaldehydes including pyrrolidine and piperidine derivatives. Full kinetic stereocontrol for si-si face addition of the FSA-bound nucleophile to the N-Cbz-aminoaldehyde carbonyl was observed furnishing the corresponding D-threo configured aldol adduct in >95:5 dr as assessed by NMR. After reductive amination, 47 different iminocyclitols were identified and characterized. In some examples partial racemization of the corresponding aldehyde was observed, which appears to be produced mostly during the aldol addition reactions.