On the current role of hydratases in biocatalysis

Abstract

Water addition to carbon-carbon double bonds provides access to value-added products from inexpensive organic feedstock. This interesting but relatively little-studied reaction is catalysed by hydratases in a highly regio- and enantiospecific fashion with excellent atom economy. Considering that asymmetric hydration of (non-activated) carbon-carbon double bonds is virtually impossible with current organic chemistry, enzymatic hydration reactions are highly attractive for industrial applications. Hydratases have been known for several decades but their biocatalytic potential has only been explored over the past 15 years. As a result, a considerable amount of information on this enzyme group has become available, enabling their development for practical applications. This review focuses on hydratases catalysing water addition to non-activated carbon-carbon double bonds, and examines hydratases from a biochemical, structural and mechanistic angle. Current challenges and opportunities in hydration biocatalysis are discussed, and, ultimately, their potential for organic synthesis is highlighted.

Weiterentwicklung der Substrattoleranz von Elizabethkingia meningoseptica Oleathydratase zur regio‐ und stereoselektiven Hydratisierung von Ölsäurederivaten

“…[1][2][3][4][5] Da sie so den Zugang zu chiralen sekundären und tertiären Alkoholen ermçglichen, sind FAHYs vielversprechende Hilfsmittel in chemischen Industrien fürd ie Herstellung einer Reihe wichtiger Chemikalien wie etwa Aromastoffe, [6][7][8] Te nside, Schmiermittel und Ausgangsstoffe fürd ie Polymersynthese. [1][2][3][4][5] Da sie so den Zugang zu chiralen sekundären und tertiären Alkoholen ermçglichen, sind FAHYs vielversprechende Hilfsmittel in chemischen Industrien fürd ie Herstellung einer Reihe wichtiger Chemikalien wie etwa Aromastoffe, [6][7][8] Te nside, Schmiermittel und Ausgangsstoffe fürd ie Polymersynthese.…”

“…[14][15][16][17][18][19][20][21] Unter Berücksichtigung all dieser Faktoren ermçglichen FAHYs den Zugang zu Reaktionen, die mit organisch-chemischenM ethoden nicht durchführbar sind, wodurch sich klare Vorteile fürd en Einsatz dieser Enzymgruppe in der organischen Synthese ergeben. [5,[28][29][30][31][32][33] Die de facto einzige FAHY,d ie eine weniger strikte Regio-und Substratselektivitäta ufweist, wurde aus Lactobacillus acidophilus NTV001 (FA-HY1) isoliert. [1,2,[20][21][22][23][24][25][26][27] Dadurch kam dieser Enzymgruppe in den letzten Jahren eine merklich zunehmende Aufmerksamkeit zur Etablierung neuer,n achhaltiger Reaktionswege in der organischen Synthese zu.…”

“…Tr otz dieser Vielseitigkeit ist die Inaktivität der FA-HY1 fürF ettsäureester [34] nach wie vor ein starkes Indiz fürd as limitierte Substratspektrum dieser Enzymgruppe.D em gegenüber steht eine erfasste Zahl von 2046 Aminosäuresequenzen mit vorhergesagter FAHY-Aktivitäti n einer Hydratase-Engineering-Database (HyED). [5,32,[38][39][40] Tr otz dieser Erkenntnisse ist die Anwendung von FAHYs in einem industriellen Rahmen nach wie vor limitiert, wobei deren enges Substratspektrum als grçßtes Hindernis gilt. [35] Die derzeit am umfassendsten charakterisierte FAHY ist die Oleathydratase von Elizabethkingia meningoseptica (OhyA, EC 4.2.1.53).…”

“…Die darin gesammelte und bislang weitestgehend unerforschte Sequenzdiversitäti mpliziert, dass der Einsatz von Hydratasen künftig Reaktionen ermçglichen kçnnte,d ie mit synthetischen Methoden zurzeit nicht durchführbar sind. [5,28,35,42] Gleichermaßen nicht beschrieben ist bislang die Hydratisierung eines terminalen Kohlenstoffs,d ae ine partielle positive Ladung an einem primären Kohlenstoffatom laut Markownikow-Regel nicht favorisiert wird. [36][37][38] Dieses Enzym katalysiert die regiound stereoselektive Hydratisierung von Ölsäure zur Bildung von (R)-10-Hydroxystearinsäure mit exzellentem ee (!…”

“…Da in vergleichbaren Studien die Hydratisierung von cis-9-Undecensäure mit OhyA im zellfreien Lysat ebenfalls gering war, jedoch die Verwendung ganzer E. coli Zellen als Enzymwirt die Aktivitätd eutlich erhçhte,w urden die Biotransformationen der Ölsäurederivate analog dazu mit einem Ganzzellsystem wiederholt. [5,22,28,34,42,43] In den getesteten Reaktionsansätzen wurden lediglich die Ölsäurederivate 1b, 1h und 1j nicht umgesetzt. Charakteristische Massenfragmente in GC-MS Analysen wiesen darauf hin, dass die nichtphysiologischen Substrate 1c-1g,s owie 1i in die entsprechenden 10-Hydroxyverbindungen 2c-2g und 2i umgesetzt wurden (Abbildungen S1-S7 und S9 in den Hintergrundinformationen), während es in Kontrollreaktionen mit einem OhyA-freien E. coli Stamm weder zur Hydratisierung der Substrate, noch zu Nebenreaktionen kam (Abbildungen S1-S10).…”