Nederlandse samenvatting



Vergelijkbare documenten
University of Groningen. Catalytic promiscuity of a proline-based tautomerase Rahimi, Mehran

Samenvatting. (Summary in Dutch)

Mutability-landscape guided enzyme engineering van der Meer, Jan Ytzen

Figuur 1. Representatie van de dubbele helix en de structuren van de verschillende basen.

Controlling Radical-Type Reactivity with Transition Metals and Supramolecular Cages P.F. Kuijpers

Samenvatting MCRs naar APIs

Direct Activation of Allylic Alcohols in Palladium Catalyzed Coupling Reactions Y. Gümrükçü

Enantioselectieve Synthese van Lactamen en Lactonen Een Chemo-Enzymatische Aanpak


Hoofdstuk 1 Hoofdstuk 2

Zelf-organisatie en polymerisatie van para-oh-gefunctionaliseerde ECE-tang-metaalcomplexen (Hoofdstuk 2) Figuur 1 Figuur 2

Figuur 1 Enantiomeren.

Epimization-free C-terminal Peptide Activation, Elongation and Cyclization S. Popović

Samenvatting. nieuwe cyclische organofosfor-verbindingen: van ringen tot kooien

Figuur 1 Een dobbelsteen en zijn spiegelbeeld, uitgeklapt om duidelijk weer te geven dat beide niet gelijk aan elkaar zijn.

a) Teken molecuul I op het antwoordblad en omcirkel alle stereocentra.(5)

The Pd-Catalyzed Semihydrogenation of Alkynes to Z-Alkenes: Catalyst Systems and the Type of Active Species R.M. Drost

Vermeld op ieder antwoordvel je naam en studentnummer. Zie voor de structuren van de gebruikte co- factoren de bijgevoegde appendix

1 e coördinatiesfeer. 2 e coördinatiesfeer

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Het kunnen onderscheiden van verschillende isomeren is nodig voor het begrijpen van de unieke eigenschappen die isomeren bezitten.

Novel Cinchona derived organocatalysts: new asymmetric transformations and catalysis Breman, A.C.

Understanding the Role of Aqueous Solution in Chemical Reactions. A Computational Study A. Pavlova

Opgave 1. Reacties 16 punten

Opgave 1. Lewis-elektronenstructuren 12 punten, 15 minuten

Asymmetric catalysis with chiral monodentate phosphoramidite ligands Duursma, Ate

Citation for published version (APA): Megens, R. P. (2012). DNA-Based asymmetric catalysis as a synthetic tool Groningen: s.n.

Samenvatting Hoofstuk 1 Hoofdstuk 2 nbu nbu nbu nbu nbu

Organic Chemistry. 5 th Edition Paula Yurkanis Bruice. Chapter 8. Substitution Reactions of Alkyl Halides

Samenvatting. Figuur 1. Algemene structuur van een nucleotide (links) en de structuren van de verschillende basen (rechts).

trans-[ptcl 2 (SR 2 )(NR 3 )] and cis-[ptcl 2 (SR 2 )(PPh 3 )] in de

Voor een uitdagend en weinig onderzocht doelwit zoals DXS, bleek de strategie om meerdere hit-identificatie en optimalisatie strategieën in parallel

Chapter 8b Samenvatting Een katalysator is een stof die de snelheid van een chemische reactie verhoogt, zonder daarbij zelf verbruikt te worden. Boven

Complexes for Electro- and Photocatalytic Proton Reduction B. van den Bosch

SAMENVATTING EN ALGEMENE DISCUSSIE

Nederlandse samenvatting

Proton-Responsive Pyridine-Based Ligands. Synthesis, Coordination Chemistry and Catalysis S.Y. de Boer

Organische Chemie. 29 januari, tijd: 3 uur. Vermeld op elk antwoordblad naam, studie, studentennummer

- Samenvatting voor niet-chemici -

Samenvatting. Nikkel N heterocyclische carbeencomplexen in homogene katalyse

Copper catalyzed asymmetric addition of Grignard reagents to ketones and ketimines Rong, Jiawei

Chapter 7 Nederlandse samenvatting

Hoogvalente Silicium- en Laagvalente Fosforverbindingen

Tentamen Katalyse 5 januari 2011

Waar leven is, zijn ook Enzymen

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation

Nature Inspired Catalytic Systems Using Sulfonamido-phosphorus Based Complexes. Increasing Complexity in Transition Metal Catalysis F.G.

Samenvatting. Ontwerp en synthese van kleine liganden voor de door humaan cytomegalovirus gecodeerde receptor US28

Vermeld op ieder antwoordvel je naam en studentnummer

Nederlandse samenvatting

University of Groningen. Dynamic transfer of chirality in photoresponsive systems Pizzolato, Stefano Fabrizio

Biochemical properties and catalytic scope of a Baeyer-Villiger monooxygenase Kamerbeek, Nanne

Amino acid modified phosphine ligands for the development of artificial transition metalloenzymes den Heeten, R.

4. deleted. 1. ATP kan een reactie aandrijven omdat

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation

Chemo and enantioselective addition of grignard reagents to ketones and enolizable ketimines Ortiz, Pablo

Nederlandse samenvatting

Samenvatting. Samenvatting

Scheikunde II. Prof. Dr. I. De Vynck Prof. Dr. M.-F. Reyniers. 2 ste semester hoorcollege5

de reactievergelijking schrijven van de oxidatie van metalen en de naam van de gevormde oxiden geven als de formules gekend zijn;

Algemene Samenvatting

SAMEN ME VAT A T T I T N I G

Reactiesnelheid (aanvulling 8.1, 8.2 en 8.3)

Voorbeeldverslag Enzymatisch gekatalyseerde ontbinding gevolgd door het kwantitatief meten van gasvolumes

Toegepaste Quantumchemie NWI-MOL106 Prof. G. C. Groenenboom en Prof. F. M. Bickelhaupt, HG00.068/HG00.310, 8:30-11:30/12:30, 28 okt 2015

Theoretische studie over het conformationele flexibiliteit en zwakke. interacties van asymmetrische organische katalysatoren in oplosmiddel

Controlling radical-type reactivity with transition metals and supramolecular cages Kuijpers, P.F.

- 1 - Microbiologie en Biochemie (MIB-10306) Biochemie deel Vrijdag 29 februari 2008, uur

Models for non-heme iron containing oxidation enzymes Roelfes, Gerard

gebruik maken van de gegeven formules om de reactievergelijking te schrijven van de verbranding van enkelvoudige en samengestelde stoffen;

Samenvatting. Figuur 1: Anabolisme en katabolisme van glucosylceramide. +UDP-Glc. Glucose + HN 13 O O HO HO. Ceramide. OH Glucosylceramide.

cis-dihydroxylation and Epoxidation of Alkenes by Manganese Catalysts - Selectivity, Reactivity and Mechanism Boer, Johannes Wietse de

Samenvatting voor de leek

Nederlandse Samenvatting

Amyloïd-bindende eiwitten bij de ziekte van Alzheimer

University of Groningen. The reactivity of rare-earth metallocenes towards alkynes Quiroga Norambuena, Victor

Samenvatting en Conclusies

Zerovalent palladium (N-heterocyclic carbene) complexes for transfer hydrogenation of alkynes Hauwert, P.

Nederlandse samenvatting

Multi-Omics Analyses of the Molecular Physiology and Biotechnology of Escherichia Coli and Synechocystis sp. PCC6803 O. Borirak

Uit: Ovidius' Metamorphoses III, , vertaald door Mr. H.J. Scheuer

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Kinetic analysis and protein engineering of halohydrin dehalogenase Tang, Lixia

Chapter 9. Nederlandse samenvatting

Samenvatting. Samenvatting

Optimalisatie van de eerste klinische studies in bi ondere patie ntengroepen: op weg naar gebruik van semifysiologische

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Merk op dat een zeer analoge reeks besproken werd in de cursus op pagina 24. Examen Organische Scheikunde januari 2006 NH 2 H 3 C CH 3 NH 2 CH 3 CN A

Proef toets Massaspectrometrie Structuuranalyse

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

ANORGANISCHE STOFKLASSEN

Klas 12, leerjaar 6 vwo

Tentamen Biochemie, onderdeel Abrahams, 2e jaar MST,

Molecular basis of two novel dehalogenating activities in bacteria de Jong, René Marcel

Samenvatting. Samenvatting

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Micellaire katalyse in epoxidatieprocessen van alkenen N. Braaksma, M. Kind, G. van Dijk, M. Hidding

ENZYMEN. Hoofdstuk 6

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Encounters with Oxygen. Aerobic Physiology and H2O2 Production of Lactobacillus johnsonii R.Y. Hertzberger

Transcriptie:

Sleutelen aan de duistere kant van een enzym Zoals in zoveel biochemieboeken wordt beschreven, zijn enzymen specifieke katalysatoren, zowel voor de reacties die ze katalyseren als voor de substraten waar ze op ageren. Toch zijn er enzymen ontdekt die andere reacties katalyseren dan degene waarvoor ze zijn geëvolueerd, of die substraten accepteren die anders zijn dan hun natuurlijke substraat. Dit fenomeen wordt gedefinieerd als enzym promiscuïteit. Langetijd werd enzym promiscuïteit gezien als de duistere kant van enzymkatalyse, immers, deze secundaire activiteiten kunnen leiden tot de vorming van ongewenste bijproducten. Tegenwoordig wordt dat anders gezien, promiscuïteit vormt juist een bron van nieuwe enzymatische activiteiten waarmee chemische transformaties kunnen worden gerealiseerd die uitdagend zijn en bruikbare producten op kunnen leveren. Veel enzymen trekken daarom de aandacht juist vanwege de promiscue activiteiten die ze bezitten. Bijvoorbeeld trypsine, dit is een klassiek voorbeeld van een zeer specifiek enzym omdat het enkel een peptidebinding verbreekt aan de carbonyl-zijde van lysine en arginine residuen. Trypsine wordt echter ook gebruikt vanwege de promiscue C-C binding vormende reacties die het kan katalyseren. Enzym promiscuïteit heeft een grote bijdrage geleverd aan het verruimen van de toolbox voor het ontwikkelen van praktisch toepasbare enzymen. Sleutelen aan de duistere zijde van enzymkatalyse middels rationele of willekeurige mutagenese is een beproefde methode geworden voor het ontwikkelen van nieuwe biokatalysatoren. In het recente verleden zijn verschillende biokatalytische procedures gerapporteerd die gebaseerd zijn op enzym promiscuïteit, zoals prominente voorbeelden van C-C binding vormende reacties waaronder aldol-koppeling, Michael(-type) addities, Mannich, Henry en Knoevenagel condensatie reacties. Hoewel de meerderheid van promiscue enzymen een beperkt substraatbereik en een slechte enantioselectiviteit bezit, zijn in de afgelopen vijftig jaar toch een paar enzymen beschreven die een goede enantioselectiviteit bezitten voor de promiscue C-C binding vormende reacties die ze katalyseren. Deze promiscue enzymen kunnen worden gebruikt als startpunt voor de evolutie van efficiënte biokatalysatoren voor toepassing in de synthese van waardevolle, chirale producten (Hoofdstuk 1). & Een N-terminale proline: de schoonheid van 4-oxalocrotonaat tautomerase (4-OT) De meeste biokatalytische procedures die zijn gebaseerd op enzym promiscuïteit zijn ontwikkeld door naar de gewenste activiteiten te zoeken in een collectie van commercieel verkrijgbare enzymen. De niet-natuurlijke C-C binding vormende activiteit van 4-OT werd daarentegen ontdekt door een vooraf beredeneerd mechanisme. Het enzym 4-OT is een lid van de tautomerase superfamilie en maakt deel uit van een katabole route voor de afbraak van aromaten in Pseudomonas putida mt-2. In deze route katalyseert het de omzetting van 2-hydroxymuconaat naar 2-oxo-3-hexeendioaat (Figuur 1A). 4-OT is een homohexameer, het is een klein enzym (62 residuen per monomeer) en wordt gekarakteriseerd door de aanwezigheid van een N-terminaal proline residu in de active site. 213

& Figuur 1. De natuurlijke tautomeristatie reactie (A) en de voorgestelde C-C binding vormende reacties (B) gekatalyseerd door 4-OT. Ter verduidelijking wordt de β-α-β-bouwsteen met N-terminale proline weergegeven (in plaats van het functionele homohexameer). EWG, elektron zuigende groep. Geïnspireerd door het succes van proline en derivaten van proline als organokatalysatoren in asymmetrische enamine katalyse, hebben wij onderzocht of het Pro-1 residu van 4-OT, dat de juiste protoneringstoestand heeft (pk a ~6.4) om als nucleofiel op te treden bij neutrale ph, enamines kan vormen met carbonylverbindingen. Een dergelijk enzymatisch gegenereerd enamine zou dan vervolgens verschillende C-C binding vormende reacties kunnen ondergaan door te reageren met electrofielen (Figuur 1B). Door het enamine te vangen middels NaCNBH 3, gevolgd door analyse middels massaspectrometrie hebben wij kunnen aantonen dat Pro-1 van 4-OT inderdaad kan reageren met aldehyden en ketonen om enamines te vormen. Na het testen met verschillende potentiële electrofielen kon vervolgens worden aangetoond dat 4-OT inderdaad C-C binding vormende reacties katalyseert, waaronder de Michael-type additie van acetaldehyde aan trans-nitrostyreen en de aldolcondensatie van acetaldehyde en benzaldehyde. 4-OT is de nieuwe Michaelase van de tautomerase superfamilie Aangespoord door de ontdekking van de door 4-OT gekatalyseerde Michael-type additie van acetaldehyde aan trans-nitrostyreen, hebben wij ons gefocust op het substraatbereik van 4-OT voor deze synthetisch nuttige reactie. Als eerste hebben we het bereik van de enamine-donoren onderzocht en kwamen tot de ontdekking dat lineaire aldehydes van 214

acetaldehyde tot octanal door 4-OT worden geaccepteerd als donor-substraten voor de additie aan trans-nitrostyreen. In alle relevante gevallen werd het syn-isomeer verkregen als meest voorkomende diastereoisomeer, wat in overeenstemming is met het model voor de transitietoestand zoals voorgesteld voor asymmetrische Michael-type addities van aldehydes aan nitro-olefines. Als algemene trend hebben we geobserveerd dat met toenemende lengte van de lineaire aldehyde-donor, de reactiesnelheid en enantioselectiviteit van 4-OT wordt verlaagd (Hoofdstuk 2). Vervolgens hebben we het bereik van de electrofiel-acceptor (het electrofiele substraat) onderzocht middels een serie aromatische en alifatische nitroolefines. Tot onze verbazing werd een groot aantal nitro-olefines door 4-OT geaccepteerd als Michael-acceptoren in reacties met acetaldehyde, resulterend in γ-nitroaldehydes in hoge opbrengst (tot 74%) met een goede tot excellente enantiozuiverheid (tot 98% ee). Deze γ-nitroaldehydes zijn waardevolle precursors voor verschillende reeds op de markt gebrachte GABA-based pharmaceuticals zoals phenibut (kalmeringsmiddel), baclofen (spierverslapper, middel tegen alcoholverslaving) en pregabalin (anti-epilepticum) (Hoofdstuk 3 en 4). Dit betekent dat de synthesemethode die wij ontwikkeld hebben een waardevolle biokatalytische benadering is voor de Michael-type addities van aldehydes aan nitro-olefines in waterhoudende oplosmiddelsystemen. De reacties worden op promiscue wijze gekatalyseerd door een tautomerase, omvatten een breed scala aan donoren acceptorsubstraten, en vinden plaats met hoge stereoselectiviteit. Om deze op 4-OT gebaseerde methodologie voor het produceren van nuttige γ-nitroaldehydes verder te verbeteren, hebben wij substraat engineering toegepast door verschillende ortho-, metaen para-gesubstitueerde nitrostyreenderivaten te testen voor de Michael-type additie van acetaldehyde. Intrigerend genoeg bleken alle onderzochte derivaten als substraat te worden geaccepteerd door 4-OT voor acetaldehyde addities, wat in hoge mate enantioverrijkte (R)- en (S)-γ-nitroaldehydes (tot aan 97 en 95% ee, respectievelijk) opleverde met goede tot excellente opbrengsten (tot 96%). De aanwezigheid van elektron zuigende of donerende substituenten op de aromatische ring van het substraat lijken de reactiesnelheid van deze door 4-OT gekatalyseerde reacties te beïnvloeden. Over het algemeen kan worden gezegd dat elektrondonerende groepen zoals methoxyl- en hydroxylgroepen op de aromatische ring van het substraat de reactiesnelheid van de gekatalyseerde reactie verhogen en daarmee de reactietijd verlagen, terwijl electronzuigende substituenten het tegenovergestelde effect hebben. De enantioselectiviteit bleek te worden beïnvloed door de positie van de substituenten. Als algemene trend werd geobserveerd dat substituties op de meta-positie van het substraat de enantioselectiviteit van 4-OT licht verhogen terwijl para-substituties deze juist verlagen. Een interessante observatie was dat substituties op de ortho-positie op de aromatische ring van het substraat juist een tegenovergestelde enantioselectiviteit van 4-OT opleveren wat de formatie van (S)-γ-nitroaldehydes tot gevolg heeft, wat vermoedelijk wordt veroorzaakt door een stereo-afschermend effect (Hoofdstuk 5). & 215

& Nog een sprekend voorbeeld van enzym promiscuïteit: de aldolase-activiteit van 4-OT De aldolcondensatie tussen acetaldehyde en benzaldehyde welke cinnamaldehyde als product oplevert, is een andere door 4-OT gekatalyseerde C-C binding vormende reactie die wij voorheen hebben ontdekt. Recent hebben wij aangetoond dat zowel de aldol-koppeling als de aldol-dehydratie worden gekatalyseerd door 4-OT. Deze lage aldolase activiteit van 4-OT kan met een factor 600 worden verhoogd in termen van katalytische efficiëntie (k cat / K m ) door middel van slechts één enkele puntmutatie (F50A). Omdat de aldolreactie één van de meest breed toegepaste C-C binding vormende reacties is binnen de organische chemie, zijn wij begonnen om de substraatscope van de door 4-OT gekatalyseerde aldolreacties in kaart te brengen. We hebben ontdekt dat 4-OT verschillende typen aldolreacties katalyseert waaronder de zelfcondensatie van propanal, de koppeling van propanal en benzaldehyde en propanal en pyruvaat en de intramoleculaire cyclisatie van hexaandial en heptaandial. In alle gevallen vertoonde de F50A mutant verhoogde aldolase activiteit in vergelijking met wild type 4-OT. In aanvulling hierop hebben we eveneens de H-D uitwisseling van de zure protonen van de onderzochte aldehyde- en keton-substraten geobserveerd, welke wordt gekatalyseerd door 4-OT en volledig afhankelijk is van het katalytisch Pro-1 residu van 4-OT. Deze H-D uitwisselingsactiviteit geeft aan dat de active site van 4-OT carbonylverbindingen kan deprotoneren, wat verder bewijs is voor een mechanisme van de door 4-OT gekatalyseerde aldol- en Michael-type reacties waarbij het aldehyde substraat voor nucleofiele additie wordt geactiveerd door middel van Pro-1-afhankelijke formatie van een enamine (of enolaat-anion) intermediair (Hoofdstuk 6). Conclusies en uitdagingen voor de toekomst Samenvattend kan worden gezegd dat de resultaten in dit proefschrift een nieuwe biokatalytische methodologie demonstreren voor C-C binding formatie in waterige media middels het enzym 4-OT, dat een hoge stereospecificiteit en een groot substraatbereik bezit. Deze enzym gebaseerde methodologie heeft de potentie om te worden geïmplementeerd in industriële toepassingen en wel om de volgende redenen: 1) biokatalytische en enantioselectieve C-C binding vormende Michael-type addities zijn zeldzaam; 2) enzymen die een aldol-additie gevolgd door een dehydratiestap kunnen katalyseren zijn bepaald niet veelvoorkomend; en 3) de γ-nitroaldehyde producten van de door 4-OT gekatalyseerde Michael-type addities zijn waardevolle precursors voor een aantal op de markt gebrachte GABA-gebaseerde medicijnen waaronder pregabalin, het actieve ingrediënt van Lyrica (wereldwijde omzet: 4.6 miljard Amerikaanse dollars in 2013). Desalniettemin bestaan er verschillende uitdagingen die geadresseerd moeten worden om 4-OT te ontwikkelen tot een voor de industrie toepasbare biokatalysator. Ten eerste is de reactiesnelheid van de door 4-OT gekatalyseerde aldol- en Michael-type reacties lager (k cat << 1 s -1 ) dan de standaard voor industriële biokatalysatoren, waardoor het momenteel nog niet kosteneffectief is voor industriële toepassingen. Het is daarom absoluut noodzakelijk om deze niet-natuurlijke 216

activiteiten van 4-OT te verhogen. Random mutagenesetechnieken, zoals error-prone PCR, of het construeren van complete protein mutability landscapes, kunnen worden gebruikt om functionele hotspots in 4-OT te lokaliseren. Site saturation mutagenese of combinatorial libraries kunnen worden samengesteld op basis van geïdentificeerde hotspots welke dan kunnen worden gescreend voor 4-OT varianten met verhoogde activiteit. Ook kan mutagenese gebaseerd op 3D kristalstructuren worden toegepast wanneer kristalstructuren van 4-OT in complex met deze onnatuurlijke substraten in de toekomst beschikbaar zullen komen. Ten tweede behoren veel van de chirale GABA-based pharmaceuticals tot de γ-aminozuren en de biologische activiteit van deze medicijnen is vaak afhankelijk van de configuratie van hun chirale centra. Helaas bezitten de γ-nitroaldehydes die wij met 4-OT produceren niet de juiste stereochemie om te kunnen worden omgezet in actieve GABA-analogen. Dit houdt in dat, om deze waardevolle farmaceutische precursors te kunnen synthetiseren, wij de stereoselectiviteit van 4-OT moeten omkeren om de gewenste enantiomeren in handen te kunnen krijgen. Enzyme engineering zou een goede optie zijn om dit te kunnen bereiken, aangezien veel succesvolle voorbeelden van het omkeren van de enantioselectiviteit van een enzym middels directed evolution in de literatuur te vinden zijn. Ten derde, om de bestaande procedures te vereenvoudigen en de efficiëntie van vervolgstappen te optimaliseren, is het essentieel om de co-solvent en ph-condities van de reactiemedia te optimaliseren. Op dit moment wordt DMSO (tot 50% v/v) gebruikt als co-solvent voor verschillende 4-OT gekatalyseerde Michael-type additiereacties, waardoor hogere concentraties van de uitgangsstoffen (de nitroalkenen) kunnen worden toegepast in waterige reactiemedia. Aangezien DMSO relatief kostbaar is en het verwijderen van dit oplosmiddel met een hoog kookpunt (189 o C) uit het reactiemedium arbeidsintensief is, wordt het vinden van milieuvriendelijke en meer economische co-solvents essentieel voor het verder ontwikkelen van deze 4-OT-methodologie naar een toepasbaar niveau. Wanneer nodig, zijn enzyme engineering, enzym immobilisatie en/of het gebruik van tweefasensystemen goede opties om de stabiliteit en compatibiliteit van 4-OT te verbeteren voor nieuw geselecteerde cosolvents. Wanneer de snelheid van de gekatalyseerde reactie, de enantioselectiviteit en de operationele stabiliteit van 4-OT in de toekomst met succes kunnen worden verbeterd zodat aan de eisen voor industriële toepassing op grote schaal kan worden voldaan, dan beschikken we niet alleen over een praktische biokatalysator voor synthetisch nuttige C-C binding vormende reacties, maar zullen we ook waardevolle kennis hebben vergaard over hoe promiscue activiteiten van enzymen kunnen worden geïdentificeerd en verhoogd, welke kunnen worden gebruikt in de ontwikkeling van nieuwe biokatalysatoren. & 217