FhuA–Grubbs–Hoveyda Biohybrid Katalysator im Polymerfilm ermöglicht Katalyse in purem, organischem Lösungsmittel

27.10.2020
  Daniel Sauer und Tayebeh Mirzaei Garakani Urheberrecht: © Bio VI

Tayebeh Mirzaei Garakani#, Daniel F. Sauer#, M.A. Stephanie Mertens, Jaroslav Lazar, Julia Gehrmann, Marcus Arlt, Johannes Schiffels, Uwe Schnakenberg, Jun Okuda, Ulrich Schwaneberg*, ACS Catalysis, 2020, 19, 10946-10953

Die Einbettung eines künstlichen Metalloproteins in einen synthetischen Polymerfilm ermöglicht biohybride Katalyse in purem, organischem Substrat.

Die Kombination von Elementen aus der Biokatalyse (z.B. Selektivitätskontrolle) mit chemischer Metallkatalyse, deren Reaktionen in der Natur nicht vorkommen, ist von großem synthetischem Interesse und erweitert das bestehende Syntheserepertoir. Diese Veröffentlichung beschreibt zum ersten Mal biohybride Katalyse in puren, organischen Substraten und nicht, wie sonst üblich, in Pufferlösungen. Die Verwendung von Proteinen in organischen Lösungsmitteln erweitert nicht nur die synthetischen Möglichkeiten, sondern erlaubt es ferner auch wasserunlösliche oder wasserinstabile Katalysatoren in der biohybriden Katalyse zu nutzen, was spannende, neue Anwendungen ermöglicht. Der hier verwendete biohybride Katalysator besteht aus dem b-Fassprotein FhuA, welches in seinem inneren einen Grubbs-Hoveyda Rutheniumkomplex für die Olefinmetathese beinhaltet. Dieser biohybride Katalysator ist in einer Polymermatrix eingebettet, die aus electropolymerisiertem N-Methylpyrrol besteht. Diese Stabilisierung erlaubt es, das künstliche Metalloprotein in purem, organischem Substrat als Katalysator einzusetzen und so die Ringschlussmetathese von zwei verschiedenen Substraten zu katalysieren. Besonders mit dem sehr hydrophoben Substrat wurde eine Verbesserung in der Aktivität um einen Faktor von 24 festgestellt, verglichen mit dem homogen gelösten Protein. Diese Arbeit kann als Inspiration für die Katalyse-Community dienen, organische Lösungsmittel als Reaktionsmedium für künstliche Metalloproteine zu nutzen und so die Kombination aus breit gefächerter Metallkatalyse und präziser Biokatalyse zu nutzen.

Diese Forschung wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des BMBF-Projektes “Chirale Membranen” (Förderkennzeichen: 031A164 und 031B0559) sowie durch den Forschungspreis 2020 “Hyka-synBio” (Förderkennzeichen: 031B0297) ermöglicht. Der Deutschen Forschungsgemeinschaft danken wir für Förderung durch das Graduiertenkolleg „SeleCa“ (IRTG 1628). Der Firma Umicore (Frankfurt, Dr. A. Doppiu) danken wir für eine großzügige Spende der Rutheniumvorstufe.

  Ritter kämpft gegen feuerspeienden Drachen. Urheberrecht: © Bio VI

Abbildung: Ein biohybrider Katalysator bestehend aus dem b-Fassprotein FhuA, welches mit einem Grubbs-Hoveyda Ruthenium Katalysator als aktives Zentrum ausgestattet ist (Schwert). Der Biohybridkatalysator wird durch seine „Rüstung“ (poly(N-Methylpyrrol)) von den Flammen (organischen Lösungsmitteln) geschützt.