Maßgeschneiderter Membrankanal ermöglicht chirale Trennung von Racematen

03.04.2019
  Foto von Deepak Anand Urheberrecht: © BioVI Deepak Anand

Deepak Anand, Gaurao V. Dhoke, Julia Gehrmann, Tayebeh M. Garakani, Mehdi D. Davari, Marco Bocola, Leilei Zhu und Ulrich Schwaneberg, Chemical Communications, 2019. DOI: 10.1039/c9cc00154a.

Die chirale Trennung der Argininenantiomere wurde durch das maßgeschneiderte Escherichia coli Membranprotein FhuA erreicht.

  Schematische Darstellung der chiralen Trennung eines Arginin-Racemats durch den entwickelten FhuA-Kanal. Urheberrecht: © Chem. Commun. Schematische Darstellung der chiralen Trennung eines Arginin-Racemats durch den entwickelten FhuA-Kanal.

Chirale Moleküle sind von großem wirtschaftlichen Wert in der chemischen, pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie. Die Trennung von Enantiomeren kann mit verschiedenen Methoden erreicht werden, bleibt aber dennoch eine anspruchsvolle Aufgabe. Chirale Protein-Polymer-Membranen wären eine attraktive, kostengünstige und skalierbare Alternative für die chirale Trennung. Die größten Herausforderungen liegen in der Gestaltung von Filterregionen innerhalb der Kanalproteine und der Entwicklung von Durchmusterungssystemen zur Identifizierung chiraler Kanalproteinvarianten. In der vorliegenden Studie berichten wir zum ersten Mal über ein chirales Kanalprotein aus β-Faltblättern, basierend auf Ferric hydroxamate uptake component A - FhuA, einem Außenmembranprotein von E. coli. Zwei Filterregionen wurden identifiziert und durch die Durchmusterung von Sättigungsmutagenesebibliotheken maßgeschneidert, um die chirale Trennung eines D-/L-Argininin-Racemats zu erreichen. Die Durchmusterung führte zur Identifizierung der FhuAF4-Variante, die einen verbesserten enantiomeren Überschuss von 24% bei 52% Umsatz im Vergleich zur Wildtyp-FhuA-Variante zeigte. Interessanterweise hat schon eine kleine Veränderung von nur zwei Aminosäuren die Selektivität des FhuA-Kanals erheblich beeinflusst. Gesteuerte molekulardynamische Simulationen zeigten, dass die Trennung auf Diffusionsdifferenzen der beiden Enantiomere durch FhuAF4 basiert. Es ist wahrscheinlich, dass mit der identifizierten Filterregion und den Sättigungsbibliotheken weitere Verbesserungen bei der Trennung anderer Aminosäuren und einem breiteren Spektrum an Enantiomeren möglich sind. Die chiralen FhuA-Kanalproteine wären eine hervorragende Arbeitsplattform für die Herstellung von chiralen Membranen auf Basis von Protein-Polymer-Konjugaten mit hohem Potenzial für neuartige und skalierbare Downstream-Prozesse.

Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die finanzielle Unterstützung des Projekts Chirale Membranen I. Die Simulationen wurden mit Rechenressourcen durchgeführt, die von JARA-HPC von der RWTH Aachen im Rahmen des Projekts RWTH0116 gewährt wurden.