New-to-Nature Processes in Biocatalysis

Abstract

La meva tesi doctoral s’ha centrat en la reutilització d'enzims per aconseguir noves transformacions enantioselectives, que englobin tant la reactivitat de l'estat fonamental com la de l'estat excitat. En incorporar principis de l'organocatàlisi als enzims mitjançant l'enginyeria de proteïnes, hem millorat les seves capacitats sintètiques. Concretament, combinant enzims amb organocatàlisi i fotoquímica, hem desbloquejat capacitats catalitzadores completament noves per crear molècules quirals amb un alt estereocontrol. El capítol II explora les modificacions estructurals dels enzims de la tautomerasa 4-OT, que anteriorment s'ha demostrat que activen aldehids i enals mitjançant la formació d'ions enamina o imini, respectivament. Hem identificat dues variants enzimàtiques noves que realitzen seqüencialment ambdós modes d'activació en un procés en cascada, permetent la síntesi d'un sol pot de carbaldehids de ciclohexè complexos amb alta eficiència, proporcions diastereomèriques i excessos enantiomèrics. Això va demostrar que la biocatàlisi podria igualar o superar els mètodes organocatalítics tradicionals en eficiència i estereoselectivitat. El capítol III presenta una nova estratègia per dissenyar una fotodecarboxilasa no natural utilitzant llum visible per excitar intermedis d'ions imini lligats a enzims. Aquest enfocament va permetre l'acoblament radical asimètric mitjançant un mecanisme de fotoactivació únic. Hem utilitzat un enzim aldolasa de classe I DERA dissenyat per activar àcids carboxílics enantiopures quirals mitjançant l'oxidació de transferència d'un sol electró. Els radicals resultants van formar dos centres estereogènics amb un control diastereomèric excel·lent, conservant la informació estereoquímica codificada en els substrats d'àcid carboxílic quiral. Aquest treball ha mostrat un cas únic de "memòria de la quiralitat" en química radical enantioselectiva.

Mi tesis doctoral se centró en la reutilización de enzimas para lograr nuevas transformaciones enantioselectivas, que abarcan tanto la reactividad en estado excitado como en estado fundamental . Incorporando principios de la organocatálisis a las enzimas mediante ingeniería de proteínas, mejoramos sus capacidades sintéticas. En concreto, al combinar las enzimas con la organocatálisis y la fotoquímica, hemos descubierto capacidades catalíticas totalmente nuevas para crear moléculas quirales con un elevado estereocontrol . El capítulo II explora las modificaciones estructurales de las enzimas 4-OT tautomerasas, anteriormente empleadas para la activación de aldehídos y enales mediante la formación de iones de enamina o iminio, respectivamente. Identificamos dos nuevas variantes enzimáticas que realizan secuencialmente ambos modos de activación en un proceso en cascada, permitiendo la síntesis en un solo paso de carbaldehídos derivados del ciclohexeno con alta eficiencia y elevados excesos diastereo- y enantioméricos . Esto demostró que la biocatálisis puede igualar o superar a los métodos organocatalíticos tradicionales en eficiencia y estereoselectividad. El capítulo III presenta una estrategia novedosa para diseñar una fotodecarboxilasa no natural que utiliza luz visible para excitarintermedios tipo iminio ligados a la enzima . Este enfoque permitió el acoplamiento asimétrico de radicales mediante un mecanismo único de fotoactivación. Se utilizó una enzima aldolasa de clase I DERA modificada para activar ácidos carboxílicos quirales enantiopuros mediante la oxidación por transferencia de un solo electrón. Los radicales resultantes de esta reacción formaron dos centros estereogénicos con un excelente control diastereomérico, preservando la información estereoquímica codificada en los sustratos de partida. Este trabajo mostró un caso único de "memoria de quiralidad" en la química radical enantioselectiva.

My doctoral thesis focused on repurposing enzymes to achieve novel enantioselective transformations, encompassing both ground-state and excited-state reactivity. By incorporating principles from organocatalysis into enzymes through protein engineering, we enhanced their synthetic capabilities. Specifically, by combining enzymes with organocatalysis and photochemistry, we unlocked entirely new catalytic abilities to create chiral molecules with high stereocontrol. Chapter II explores structural modifications of 4-OT tautomerase enzymes, previously shown to activate aldehydes and enals via enamine or iminium ion formation, respectively. We identified two novel enzyme variants that sequentially perform both activation modes in a cascade process, enabling one-pot synthesis of complex cyclohexene carbaldehydes with high efficiency, diastereomeric ratios and enantiomeric excesses. This demonstrated that biocatalysis could match or surpass traditional organocatalytic methods in efficiency and stereoselectivity. Chapter III presents a novel strategy for designing a non-natural photodecarboxylase using visible light to excite enzyme-bound iminium ion intermediates. This approach enabled asymmetric radical coupling through a unique photoactivation mechanism. We used an engineered DERA class I aldolase enzyme to activate chiral enantiopure carboxylic acids via single-electron transfer oxidation. The resulting radicals formed two stereogenic centers with excellent diastereomeric control, preserving the stereochemical information encoded in the chiral carboxylic acid substrates. This work showcased a unique case of ‘memory of chirality’ in enantioselective radical chemistry.