Oxidoreductases and halogenated subtrates: Biocatalytic and crystallographic studies

Abstract

En 2007 se implementó una regulación dentro de la Unión Europea conocida como ¿REACH¿ (Registro, Evaluación, Autorización y Restricción de Sustancias Químicas), cuyo objetivo es proveer una protección máxima a la salud humana y al medioambiente frente a los riesgos asociados con el manejo de los productos químicos. Estas normativas requieren que la industria aborde el problema del impacto ambiental causado en los procesos de producción y que se desarrollen metodologías más ecológicas. La Biocatálisis cumple perfectamente dichas normativas debido al uso de enzimas biodegradables que no solo actúan con alta eficacia en condiciones muy suaves de reacción, sino que además permiten acceder a una amplia gama de compuestos químicos. Por este motivo, la investigación en este campo ha aumentado de manera exponencial en las últimas décadas, aprovechando además los avances en las áreas de ingeniería molecular, biología estructural y bioinformática, con el fin de desarrollar una nueva generación de biocatalizadores más eficientes. Esta Tesis Doctoral está estructurada en tres capítulos precedidos por una introducción general que incluye algunos conceptos básicos sobre la Biocatálisis. En esta introducción se abordarán brevemente aspectos generales que han servido como base para el posterior desarrollo de los tres capítulos. Así, se ha realizado un breve resumen de la aplicación industrial de las oxidorreductasas, tales como alcohol deshidrogenasas (ADHs) y lacasas. El Capítulo 1 está dedicado a la reducción asimétrica de cetonas aromáticas ¿,¿-dihalogenadas catalizada por alcohol deshidrogenasas, dirigida hacia la preparación de los correspondientes alcoholes secundarios enantiopuros. A pesar de que el alto potencial redox de la reducción de estos compuestos favorece dichos procesos, el gran tamaño de los sustituyentes en las proximidades del grupo carbonilo hace que la transformación requiera de ADHs muy específicas que puedan alojar en su centro activo sustratos muy voluminosos. De este modo, se ha conseguido desarrollar y optimizar los procesos de biorreducción de una amplia familia de cetonas proquirales de manera satisfactoria, aislando los correspondientes alcoholes con excelentes rendimientos y purezas ópticas, siendo posible la preparación de los citados alcoholes con configuraciones tanto (R) como (S). Por otro lado, ha sido posible extender esta metodología a dos cetonas racémicas de interés, desarrollando procesos eficientes de resolución cinética dinámica para obtener los correspondientes alcoholes con distintos niveles de estereo- y diastereoselección y con buenos rendimientos globales. Los resultados de esta investigación están recogidos en el artículo de investigación: ¿Expanding the Scope of Alcohol Dehydrogenases towards Bulkier Substrates: Stereo- and Enantiopreference for ¿,¿-Dihalogenated Ketones¿, Kinga K¿dziora, Fabricio R. Bisogno, Iván Lavandera, Vicente Gotor-Fernández, José Montejo-Bernardo, Santiago García-Granda, Wolfgang Kroutil, y Vicente Gotor, ChemCatChem 2014, 6, 1066-1072. En el Capítulo 2 se describe el trabajo realizado durante una estancia en el York Structural Biology Laboratory de la Universidad de York. El objetivo principal de este capítulo es el aislamiento, purificación y cristalización de la alcohol deshidrogenasa de Sphingobium yanoikuae DSM 6900 unida al cofactor de nicotinamida NADPH. La determinación de la estructura junto con estudios de modelización molecular usando como sustrato la fenil n-pentil cetona, ha permitido demostrar la especificidad de este enzima por el NADPH, así como su estereoselectividad de tipo Prelog con sustratos voluminosos. Los resultados más destacados de este capítulo se encuentran recogidos en la publicación: ¿Structures of Alcohol Dehydrogenases from Ralstonia and Sphingobium spp. Reveal the Molecular Basis for Their Recognition of `Bulky¿Bulky¿ Ketones¿, Henry Man, Kinga K¿dziora, Justyna Kulig, Annika Frank, Iván Lavandera, Vicente Gotor-Fernández, Dörte Rother, Sam Hart, Johan P. Turkenburg, y Gideon Grogan, Top. Catal. 2014, 54, 356-365. Finalmente, en el Capítulo 3 se ha abordado la oxidación de sustratos termodinámicamente desfavorecidos como son los derivados de 2,2-dihalo-1-feniletanol. Para ello se ha puesto a punto una metodología sintética empleando un sistema redox formado por una lacasa y el mediador TEMPO. Debido al mecanismo de oxidación de tipo iónico mediado por TEMPO, y una vez superados los problemas de solubilidad de los sustratos mediante el uso de un sistema bifásico, se obtuvieron las correspondientes cetonas a través de procesos muy limpios y eficientes con rendimientos excelentes. Además, en combinación con una ADH, se llevó a cabo la desracemización del 2,2-dicloro-1-feniletanol en one-pot. Los resultados más representativos de esta investigación han sido publicados en: ¿Laccase/TEMPO-Mediated System for the Thermodynamically Disfavored Oxidation of 2,2-Dihalo-1-phenylethanol Derivatives¿, Kinga K¿dziora, Alba Díaz-Rodríguez, Iván Lavandera, Vicente Gotor-Fernández, y Vicente Gotor, Green Chem. 2014, 16, 2248-2253.