Según la evolución dirigida, los investigadores han desarrollado una enzima que cataliza la formación de enlaces biarílicos (Nature 2022, DOI: 10.1038/s41586-021-04365-7). Esta nueva enzima crea enlaces carbono-carbono entre fracciones aromáticas de una manera muy selectiva, proporcionando una nueva herramienta para la preparación de ligandos quirales, productos farmacéuticos y materiales.

Tradicionalmente, los químicos han sintetizado enlaces de biarilo mediante reacciones catalizadas por metales, como los acoplamientos cruzados de Suzuki y Negishi. Por robustos que sean, estos procesos requieren pasos de prefuncionalización adicionales para producir la molécula diana. «Todavía es un desafío hacer enlaces de biarilo estéricamente impedidos», explica la autora principal Alison R. H. Narayan. Otras estructuras, como los anillos aromáticos deficientes en electrones, también plantean problemas. “Visualizamos una alternativa biocatalítica que podría resolver ambos problemas y convertirse en una alternativa viable para los químicos sintéticos”, agrega. El equipo utilizó la evolución dirigida, una técnica que muta intencionalmente los genes de una enzima madre en rondas sucesivas para desarrollar nuevas funciones catalíticas.

El equipo exploró diferentes enzimas de vías metabólicas secundarias involucradas en la formación de productos naturales para encontrar un punto de partida. “A veces, estas proteínas ya forman moléculas que se asemejan a nuestros objetivos”, explica Narayan. “Se trata de encontrar un indicio de reactividad, incluso un 0,1 %. Entonces, a menudo es posible optimizar aún más”, agrega. En este caso, el equipo identificó una enzima del citocromo P450 que cataliza de forma natural la dimerización de la cumarina en biarilos en los hongos Aspergillus y la diseñaron para acoplar una gama más amplia de sustratos.

El equipo creó más de 2000 variantes de la enzima natural y evaluó aquellas que podrían catalizar una reacción de acoplamiento cruzado para producir compuestos de biarilo quirales. Utilizaron las enzimas de mejor rendimiento en rondas sucesivas de ingeniería para mejorar el rendimiento, la selectividad del sitio y la estereoselectividad. La enzima final del equipo dio una mejora de 92 veces en el rendimiento.

“La construcción catalítica y selectiva de enlaces carbono-carbono es una de las tareas más importantes de la química orgánica”, dice Ania Fryszkowska, experta en biocatálisis de Merck & Co. “La naturaleza genera complejidad molecular con facilidad y elegancia, evitando grupos protectores y agentes oxidantes. reajustes de estado, lo que normalmente es inalcanzable con la química tradicional”, añade.

Fryszkowska destaca lo difícil que es formar ciertos enlaces de biarilo con las herramientas disponibles actualmente: «Necesita ligandos quirales, grupos protectores, restos auxiliares», dice. La biocatálisis ofrece un enfoque sintético simple, que también suele ser más seguro y ecológico, ya que minimiza la cantidad de purificaciones y aislamientos en el camino.

La ingeniería adicional dio como resultado una enzima que ofrece una atroposelectividad sin precedentes, una preferencia entre los estereoisómeros con quiralidad axial, en su compuesto objetivo (que se muestra). “Este es un caso único en biocatálisis”, dice Fryszkowska.

La atroposelectividad es clave para preparar ligandos quirales, que se utilizan en la catálisis asimétrica, y para sintetizar ciertos fármacos comerciales como el antibiótico vancomicina y el antipalúdico ancistrocladina.

Al comparar la secuencia de la enzima modificada con otras proteínas naturales, el equipo de Narayan ya encontró otras pistas prometedoras: «Descubrimos un tesoro oculto de enzimas que tienen una impresionante actividad de acoplamiento cruzado en diferentes clases de sustratos, algunas con suficiente actividad para que la ingeniería sea necesaria». no se requiere”, dice Narayan. «Este panel de enzimas ofrece un sólido punto de partida para otros interesados ​​en planificar esta transformación en una síntesis, ya que la formación de enlaces biarílicos es una transformación básica».