Engineering artificial metalloenzymes based on biotin-streptavidin technology for DNA recognition and asymmetric transfer hydrogenation catalysis

Abstract: Metalloproteins occupy a central place among all proteins since they represent nearly half of all proteins in nature. Metalloenzymes catalyze important biological processes (photosynthesis, respiration, water oxidation) and other chemical reactions (oxidoreduction reactions). Artificial metalloenzymes, which can be created from insertion of a metal-containing moiety within a protein scaffold, combine the attractive properties of organometallic chemistry (activity provided by accurate chemical cofactor design) and enzymatic mean (fine-tuning of second coordination sphere to afford high substrate specificity, activity and selectivity) to provide a powerful tool with a great optimization potential.
The biotin-streptavidin technology represents a versatile tool to create artificial metalloenzymes and other supramolecular assemblies, due to i) the exceptionally strong and precise anchoring ability; ii) the range of possibilities of chemical derivatization of the biotinylated compounds and iii) genetic optimization of the host protein.
In the spirit of surface borrowing, i.e. modulating ligand-affinity by harnessing existing protein surfaces, the biotin-streptavidin assembly was exploited to create a metallodrug-presenter protein assembly. With the aim of investigating the mechanisms by which such assembly could deliver small molecules to preferred macromolecular targets in vitro, a biotinylated piano stool ruthenium complex was synthesized and incorporated into streptavidin. The metallodrug-protein assembly was constructed to provide non-covalent interactions that modulated binding of the organometallic moiety to specific DNA targets. Guided by the X-ray
structure of the drug embedded within the Sav protein, we explored the formation of metallodrug-mediated ternary complexes between the presenter protein and DNA. The study suggests that rational targeting of metallodrugs via presenter proteins could be exploited to improve selectivity of small molecules for G-quadruplex DNA over double-stranded DNA.
In addition to target-selectivity for binding, we also investigated catalytically-active supramolecular complexes. With the aim of improving the screening efficiency of metalloenzymes in catalytic reactions, a new synthetic platform for fast chemical optimization of biotinylated catalysts was implemented. Incorporation of various d6-transition metal (rhodium and iridium) piano stool complexes, containing a tetramethylcyclopentadienyl (C5Me4) tethered to biotin into streptavidin provided a fast and convenient means of screening and optimizing of hybrid catalysts that affords new catalytically active artificial metalloenzymes in ATH of cyclic imines (production of salsolidine). Furthermore, in silico investigations allowed the use of the new synthetic platform in the design of a novel type of metal catalyst/protein assembly. Combination of rational ligand design and genetic optimization of the biomolecular host resulted in the creation of the first biotin/streptavidin-based metalloenzyme using a dually anchored (supramolecular and dative anchoring) metal capable of performing enantioselective transfer hydrogenation reactions. Finally, the two strategies developed above were transposed to the less explored reductive amination of a-keto acids. These studies provide the first example of synthetic enantioselective reductive amination for the preparation of a range of unprotected chiral a-amino acids in water, thus demonstrating the great potential of artificial metalloenzyme technology. ---------- Zusammenfassung:
Komplex Herstellung. Zwei neue Ligandenklassen wurden hergestellt und in der Iridium-katalysierten asymmetrischen Hydrierung getestet. Ausgehend von R,R- und S,S-Diphenylethylendiamin verbunden mit verschiedenen chiralen Pyridinylalkoholen wurden zwölf verschiedene Diazaphospholidin-Liganden hergestellt und zu Iridium-Komplexen umgesetzt. Diese Komplexe wurden in der Hydrierung von verschiedenen unfunktionalisierten und funktionalisierten Alkenen, besonders aber für alpha, beta-ungesättigte Carbonsäureester, getestet. Die Hydrierungen der verschiedenen Alkene waren sehr erfolgreich, sie lieferten Enantiomerenüberschüsse von bis zu 99%. Bei alpha-methylierten alpha, beta-ungesättigten Carbonsäureestern mit verschiedenen Substituenten in der beta-Position ergaben die Hydrierungen über 90% ee. Für die beta-methylierten Carbonsäureester lieferten die neuen Iridium-Komplexe bis zu 97% ee.
Die Entwicklung und Herstellung von neuen P,N-Liganden, welche auf Imidazolinen basieren, wurde als nächstes untersucht. Strukturell ähnliche Oxazolin-Liganden wurden durch Imidazoline ersetzt. Durch das zusätzliche Stickstoffatom kännen die elektronischen und sterischen Eigenschaften der Liganden modifiziert werden. Eine erfolgreiche Syntheseroute zur Herstellung der Imidazolin-Iridium-Komplexe wurde entwickelt. Allerdings waren die Hydrierungen mit den neuen Imidazolin-Iridium-Komplexen eher unbefriedigend.
Eine Verbesserung der Imidazolin-Liganden gelang, indem man den aromatischen Ring am Stickstoffatom durch eine Sulfonyl-Gruppe ersetzte. Es wurde eine neue Syntheseroute für diese Ligandenklasse entwickelt und es konnten somit vier neue Sulfonyl-Imidazolin-Iridium-Komplexe hergestellt und in der asymmetrischen Hydrierung getestet werden. Die Hydrierungen von verschiedenen unfunktionalisierten und funktionalisierten Alkenen lieferten Enantiomerenüberschüsse von über 90%.
Anwendung in Naturstoff- und Wirkstoffsynthesen. Der zweite Teil dieser Arbeit war die Anwendung der Iridium-katalysierten asymmetrischen Hydrierung zur Herstellung von biologisch wichtigen Naturstoffen. Bei einer Zusammenarbeit mit Prof. J. Mulzer (Universität Wien, …sterreich) wurde eine asymmetrische Synthese für Platensimycin entwickelt. Die geplante Syntheseroute beinhaltete die asymmetrische Hydrierungen von zwei Zwischenstufen, welche erfolgreich mit exzellenten Umsätzen und Enantioselektivitäten erreicht wurden. Dabei lieferte der Iridium-Komplex 67c die besten Ergebnisse. Die Zwischenstufe konnte mit einer geringen Katalysatorbeladung und im Gramm-Ma§stab umgesetzt werden.
Das nächste Projekt war die Synthese von Aliskiren. Dabei wurden verschiedene Ester hergestellt und in der Iridium-katalysierten asymmetrischen Hydrierung getestet. Nach einer ausgiebigen Suche für einen geeigneten Katalysator lieferte der PHOX-Komplex 28a und der PHIM-Komplex 134a für den tert-Butylester vollständigen Umsatz und 99% ee.