Enzymatische Halogenierung von Tryptophan im Gramm‐Maßstab

Abstract

Beide Halogenasen chlorieren l-Tryptophan regioselektiv an der elektronisch ungünstigen C7-Position des Indolrings. Eine zusätzliche Flavin-Reduktase liefert FADH 2 , das in der aktiven Tasche der Halogenase durch molekularen Sauerstoff oxidiert wird und ein Flavinhydroperoxid bildet. Dieses wird anschließend nukleophil von einem Halogenidion angegriffen. Die dabei entstehende hypohalogenige Säure wird von der FAD-zur Tryptophanbindestelle durch einen 10 langen Tunnel geleitet. [4][5][6][7] Aufgrund der Sandwich-artigen Bindung von l-Tryptophan im Inneren der aktiven Tasche der Halogenase wird selektiv die C7-Position für eine Chlorierung oder Bromierung zugänglich. [7,8] Der konservierte Lysinrest K79 wird dabei selektiv durch die hypohalogenige Säure oxidiert, wodurch die eigentliche halogenierende Spezies, ein langlebiges N-Halogenamin, gebildet wird.[9] Neben der Tryptophan-7-Halogenase RebH sind ebenso C5- [10] und C6-Tryptophan-Halogenasen [11] in der Literatur beschrieben. Enzym-katalysierte Reaktionen sind seit langem bekannt für ihre hohe Stereo-und Regioselektivität. [12,13] Aufgrund dieser Vorteile entwickelte sich die Biokatalyse zu einem aufstrebenden Gebiet innerhalb der Biotechnologie, insbesondere im Hinblick auf grüne und nachhaltige Chemie. Durch die hohe Selektivität enzymatischer Reaktionen kann in vielen Fällen auf die Verwendung von Schutzgruppen oder aktivierender Gruppen verzichtet werden, was häufig zu kürzeren und effizienteren Syntheserouten führt. Allerdings zeigen viele Enzyme, beispielsweise Halogenasen, eine geringe Stabilität und Aktivität unter nichtnatürlichen Reaktionsbedingungen in Gegenwart hoher Substratkonzentrationen.Enzymimmobilisierung hat sich dabei als erfolgreiche Methode erwiesen, diese Stabilitätsprobleme zu umgehen [14] und gleichzeitig die einfache Abtrennung und Wiederverwertung des Biokatalysators zu ermçglichen. Obwohl in der Vergangenheit eine Vielzahl verschiedenster Immobilisierungsstrategien entwickelt wurde, haben sich insbesondere vernetzte Enzymaggregate ("cross-linked enzyme aggregates", CLEAs) als trägerfreie Katalysatoren mit herausragenden Vorteilen etabliert, die unter anderem durch ihre Einfachheit brillieren. Das Enzym der Wahl wird dabei durch Zugabe von Ammoniumsulfat oder Polyethylenglykol präzi-pitiert, gefolgt von einer Vernetzung von Lysinresten an der Enzymoberfläche mittels bifunktioneller Moleküle wie Glutaraldehyd. Ein entscheidender Vorteil dieser Methode ist die Mçglichkeit, Aufreinigung und Immobilisierung der Enzyme in einem Schritt zu kombinieren, sodass diese Technik auch für Proteinrohextrakte anwendbar ist.In einer Reihe von Studien wurden für Halogenasen ungünstige kinetische Eigenschaften mit einer Wechselzahl k cat % 1.0 min À1 und einer katalytischen Produktivität ("total

Fluorogenic Diversification of Unprotected Bromotryptophan by Aqueous Mizoroki–Heck Cross‐Coupling

“…Immobilized cross-linked enzyme aggregates( combiCLEAs) containing an FAD-dependent tryptophan halogenase togetherw ith the auxiliary enzymes flavin reductase PrnF and alcohold ehydrogenase RR-ADH lead to regioselective halogenation. [10] We combined biocatalytic bromination of l-tryptophan giving l-7bromotryptophan (1)w ith palladium-catalyzed Mizoroki-Heck cross-couplingusing differentsubstituted styrenes. The fluorescent properties of the styryl-tryptophans were analyzed.…”

Peptide stapling by late-stage Suzuki–Miyaura cross-coupling

“…The intramolecular SMC was envisaged as a novel approach towards one-component peptide stapling by side chain cross-linking of bromotryptophan and an organoboron moiety. Bromotryptophans are accessible by enzymatic bromination utilising cross-linked enzyme aggregates (combiCLEAs) containing an FAD-dependent tryptophan halogenase, a flavin reductase and an alcohol dehydrogenase [ 73 – 74 ]. For this purpose, tryptophan halogenases RebH and Thal were applied for the generation of ʟ-7-bromo- and ʟ-6-bromotryptophan, respectively.…”

Expression and characterization of PrnC—a flavin-dependent halogenase from the pyrrolnitrin biosynthetic pathway of Pseudomonas protegens Pf-5

“…Fl-Hals have already entered research stages of applicability rather than sheer understanding. Site-directed mutagenesis could vary regioselectivity (Lang et al, 2011;Shepherd et al, 2015;Andorfer and Lewis, 2018), and even upscaling by the use of cross-linked enzyme aggregates (CLEAs) to gram-scale conversions were possible (Frese and Sewald, 2015b;a). Finally, follow-up chemistry has already been carried out such as crosscoupling reactions in crude lysate (Gruß and Sewald, 2020).…”