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Über 40% der derzeit verwendeten Arzneimittel beinhalten Amine als Wirkstoff. Vor allem die Chiralität dieser Moleküle stellt eine immer größere Bedeutung dar. Chirale Moleküle unterscheiden sich in der räumlichen Anordnung der Atome um das chirale Zentrum. Nicht selten besitzen Naturstoffe ein solches chirales Zentrum und sind asymmetrisch aufgebaut. In diesem Zusammenhang ist es nicht verwunderlich, dass die in der Medizin eingesetzten Wirkstoffe einen unterschiedlichen Wirkungsgrad je nach chiraler Konfiguration aufweisen.
Ziel dieser Arbeit war es neue Methoden zur stereoselektiven Synthese chiraler Amine zu untersuchen. Im Gegensatz zu herkömmlichen chemischen Synthesen, die beispielsweise auf Übergangsmetalle als Katalysatoren setzen, stellen Enzyme als Katalysatoren eine interessente Alternative dar. Stereo-, Regio- und Chemoselektivität ist Enzymen oft von Natur aus gegeben. Im Mittelpunkt der enzymatischen asymmetrischen Synthese optisch aktiver Amine standen bisher Amintransaminasen (ATA), die eine Aminogruppe von einem Amin (Aminodonor) auf ein Keton (Aminoakzeptor) transferieren. Diese Enzyme sind jedoch auf die Synthese primärer Amine beschränkt, sekundäre und tertiäre Amine sind nicht zugänglich. Eine Alternative hierzu stellen Iminreduktasen (IREDs) dar. Dabei handelt es sich um NADPH-abhängige Enzyme, die eine Reduktion von Iminsubstraten zu optisch aktiven Aminen katalysieren. Vor allem die IRED-katalysierte reduktive Aminierung steigerte das Interesse dieser Enzymklasse. In einer reduktiven Aminierung wird nicht das Imin selbst als Substrat eingesetzt, sondern eine prochirales Keton. Dieses formt mit einem Aminsubstrat (Nukleophil) ein Imin und wird anschließend reduziert. Durch diesen Reaktionsweg sind IREDs nicht nur auf zyklische Substrate beschränkt, auch instabile azyklische Imine werden zugänglich.
Die reduktive Aminierung mittels Iminreduktase wurde erstmalig im Jahr 2014 beschrieben und war zu Beginn dieser Arbeit nur als "Proof of Concept" gezeigt worden. Im Rahmen dieser Promotionsarbeit konnte gezeigt werden, dass diese Enzyme die Möglichkeit bieten, optisch aktive Amine mit hohen Umsätzen und Enantiomeren- bzw. Diastereomerenüberschüssen zu synthetisieren.
Characterization of proteins from the 3N5M family reveals an operationally stable amine transaminase
(2022)
Amine transaminases (ATA) convert ketones into optically active amines and are used to prepare active pharmaceutical ingredients and building blocks. Novel ATA can be identified in protein databases due to the extensive knowledge of sequence-function relationships. However, predicting thermo- and operational stability from the amino acid sequence is a persisting challenge and a vital step towards identifying efficient ATA biocatalysts for industrial applications. In this study, we performed a database mining and characterized selected putative enzymes of the β-alanine:pyruvate transaminase cluster (3N5M) — a subfamily with so far only a few described members, whose tetrameric structure was suggested to positively affect operational stability. Four putative transaminases (TA-1: Bilophilia wadsworthia, TA-5: Halomonas elongata, TA-9: Burkholderia cepacia, and TA-10: Burkholderia multivorans) were obtained in a soluble form as tetramers in E. coli. During comparison of these tetrameric with known dimeric transaminases we found that indeed novel ATA with high operational stabilities can be identified in this protein subfamily, but we also found exceptions to the hypothesized correlation that a tetrameric assembly leads to increased stability. The discovered ATA from Burkholderia multivorans features a broad substrate specificity, including isopropylamine acceptance, is highly active (6 U/mg) in the conversion of 1-phenylethylamine with pyruvate and shows a thermostability of up to 70 °C under both, storage and operating conditions. In addition, 50% (v/v) of isopropanol or DMSO can be employed as co-solvents without a destabilizing effect on the enzyme during an incubation time of 16 h at 30 °C.
Abstract
Amine transaminases (ATAs) are biocatalysts for the synthesis of chiral amines and can be identified in sequence databases by specific sequence motifs. This study shows that the activity level towards the model substrate 1‐phenylethylamine can be predicted solely from the sequence. To demonstrate this, 15 putative ATAs with a different distribution of hydrophobic or hydrophilic amino acid side chains near the active site were characterized. Hydrophobic side chains were associated with a high activity level and were a better predictor of activity than global sequence identity to known ATAs with high or low activities. Enzyme stability investigations revealed that four out of the 15 ATAs showed a good operational stability.