Biocatalyse - Biocatalysis

Structure tridimensionnelle d'une enzyme. La biocatalyse utilise ces macromolécules biologiques pour catalyser les transformations de petites molécules.

La biocatalyse fait référence à l'utilisation de systèmes vivants (biologiques) ou de leurs parties pour accélérer ( catalyser ) des réactions chimiques. Dans les procédés biocatalytiques, les catalyseurs naturels, tels que les enzymes , effectuent des transformations chimiques sur les composés organiques . Les enzymes qui ont été plus ou moins isolées et les enzymes résidant encore à l'intérieur des cellules vivantes sont utilisées pour cette tâche. La biotechnologie moderne, l' évolution spécifiquement dirigée , a rendu possible la production d'enzymes modifiées ou non naturelles. Cela a permis le développement d'enzymes capables de catalyser de nouvelles transformations de petites molécules qui peuvent être difficiles ou impossibles en utilisant la chimie organique synthétique classique. L'utilisation d'enzymes naturelles ou modifiées pour effectuer la synthèse organique est appelée synthèse chimioenzymatique ; les réactions réalisées par l'enzyme sont classées comme réactions chimioenzymatiques .

Histoire

La biocatalyse sous-tend certaines des plus anciennes transformations chimiques connues de l'homme, car le brassage est antérieur à l'histoire enregistrée. Les plus anciennes traces de brassage datent d'environ 6000 ans et se réfèrent aux Sumériens .

L'emploi de r siècles. Les utilisations les plus évidentes ont été dans les entreprises alimentaires et de boissons où la production de vin, de bière, de fromage, etc. dépend des effets des micro - organismes .

Il y a plus de cent ans, la biocatalyse était utilisée pour effectuer des transformations chimiques sur des composés organiques artificiels non naturels , les 30 dernières années ayant vu une augmentation substantielle de l'application de la biocatalyse pour produire des produits chimiques fins , en particulier pour l' industrie pharmaceutique .

Puisque la biocatalyse traite des enzymes et des micro-organismes, elle est historiquement classée séparément de la « catalyse homogène » et de la « catalyse hétérogène ». Cependant, d'un point de vue mécanique, la biocatalyse n'est qu'un cas particulier de catalyse hétérogène.

Avantages de la synthèse chimioenzymatique

-Les enzymes sont inoffensives pour l'environnement, étant complètement dégradées dans l'environnement.

-La plupart des enzymes fonctionnent généralement dans des conditions douces ou biologiques, ce qui minimise les problèmes de réactions secondaires indésirables telles que la décomposition, l' isomérisation , la racémisation et le réarrangement , qui empoisonnent souvent la méthodologie traditionnelle.

-Les enzymes sélectionnées pour la synthèse chimioenzymatique peuvent être immobilisées sur un support solide. Ces enzymes immobilisées présentent une stabilité et une réutilisation très élevées et peuvent être utilisées pour conduire des réactions en mode continu dans des microréacteurs.

-Grâce au développement de l'ingénierie des protéines , en particulier de la mutagenèse dirigée et de l'évolution dirigée, les enzymes peuvent être modifiées pour permettre une réactivité non naturelle. Les modifications peuvent également permettre une gamme de substrats plus large, améliorer la vitesse de réaction ou le renouvellement du catalyseur.

-Les enzymes présentent une sélectivité extrême envers leurs substrats. En règle générale, les enzymes présentent trois principaux types de sélectivité :

  • Chimiosélectivité : Puisque le but d'une enzyme est d'agir sur un seul type de groupe fonctionnel , d'autres fonctionnalités sensibles, qui réagiraient normalement dans une certaine mesure sous catalyse chimique, survivent. En conséquence, les réactions biocatalytiques ont tendance à être "plus propres" et la purification laborieuse du ou des produits à partir des impuretés émergeant par des réactions secondaires peut être largement omise.
  • Régiosélectivité et diastéréosélectivité : En raison de leur structure tridimensionnelle complexe, les enzymes peuvent distinguer des groupes fonctionnels qui sont chimiquement situés dans différentes régions de la molécule substrat.
  • Énantiosélectivité : Étant donné que presque toutes les enzymes sont fabriquées à partir d' acides aminés L , les enzymes sont des catalyseurs chiraux . En conséquence, tout type de chiralité présent dans la molécule substrat est « reconnu » lors de la formation du complexe enzyme-substrat. Ainsi, un substrat prochiral peut être transformé en un produit optiquement actif et les deux énantiomères d'un substrat racémique peuvent réagir à des vitesses différentes.

Ces raisons, et surtout ces dernières, sont les raisons majeures pour lesquelles les chimistes de synthèse se sont intéressés à la biocatalyse. Cet intérêt à son tour est principalement dû à la nécessité de synthétiser des composés énantiopurs en tant que blocs de construction chiraux pour les médicaments pharmaceutiques et les produits agrochimiques .

Biocatalyse asymétrique

L'utilisation de la biocatalyse pour obtenir des composés énantiopurs peut être divisée en deux méthodes différentes :

  1. Résolution cinétique d'un mélange racémique
  2. Synthèse asymétrique biocatalysée

Dans la résolution cinétique d'un mélange racémique, la présence d'un objet chiral (l'enzyme) convertit l'un des stéréoisomères du réactif en son produit à une vitesse de réaction plus élevée que pour l'autre stéréoisomère réactif. Le mélange stéréochimique a maintenant été transformé en un mélange de deux composés différents, les rendant séparables par la méthodologie normale.

Schéma 1. Résolution cinétique

La résolution cinétique biocatalysée est largement utilisée dans la purification de mélanges racémiques d'acides aminés synthétiques. De nombreuses voies de synthèse d'acides aminés populaires, telles que la synthèse de Strecker , aboutissent à un mélange d'énantiomères R et S. Ce mélange peut être purifié par (I) acylation de l'amine à l'aide d'un anhydride puis (II) désacylation sélective uniquement de l'énantiomère L à l'aide d'acylase de rein de porc. Ces enzymes sont typiquement extrêmement sélectives pour un énantiomère conduisant à de très grandes différences de vitesse, permettant une désacylation sélective. Enfin les deux produits sont désormais séparables par des techniques classiques, comme la chromatographie .

Résolution enzymatique.jpg

Le rendement maximum dans de telles résolutions cinétiques est de 50 %, puisqu'un rendement de plus de 50 % signifie qu'une partie du mauvais isomère a également réagi, donnant un excès énantiomérique inférieur . De telles réactions doivent donc être terminées avant que l'équilibre ne soit atteint. S'il est possible d'effectuer de telles résolutions dans des conditions où les deux substrats-énantiomères racémisent en continu, tout le substrat peut en théorie être converti en produit énantiopur. C'est ce qu'on appelle la résolution dynamique .

Dans la synthèse asymétrique biocatalysée , une unité non chirale devient chirale de telle sorte que les différents stéréoisomères possibles sont formés en différentes quantités. La chiralité est introduite dans le substrat sous l'influence d'une enzyme, qui est chirale. La levure est un biocatalyseur pour la réduction énantiosélective des cétones .

Schéma 2. Réduction de levure

L' oxydation de Baeyer-Villiger est un autre exemple de réaction biocatalytique. Dans une étude, un mutant spécialement conçu de Candida antarctica s'est avéré être un catalyseur efficace pour l' addition de Michael d' acroléine avec de l' acétylacétone à 20 °C en l'absence de solvant supplémentaire.

Une autre étude démontre comment la nicotine racémique (mélange d'énantiomères S et R 1 dans le schéma 3 ) peut être déracémisée dans une procédure en un seul pot impliquant une monoamine oxydase isolée d' Aspergillus niger qui est capable d'oxyder uniquement l' énantiomère S de l' amine en imine. 2 et impliquant un couple réducteur ammoniac – borane qui peut réduire l'imine 2 en amine 1 . De cette manière, l'énantiomère S sera continuellement consommé par l'enzyme tandis que l'énantiomère R s'accumulera. Il est même possible de stéréo-inverser S pur en R pur.

Schéma 3. Amines tertiaires cycliques énantiomériquement pures

Biocatalyse activée par photoredox

Récemment, la catalyse photoredox a été appliquée à la biocatalyse, permettant des transformations uniques, auparavant inaccessibles. La chimie photorédox repose sur la lumière pour générer des intermédiaires radicaux libres . Ces intermédiaires radicalaires sont achiraux, ainsi des mélanges racémiques de produits sont obtenus lorsqu'aucun environnement chiral externe n'est fourni. Les enzymes peuvent fournir cet environnement chiral au sein du site actif et stabiliser une conformation particulière et favoriser la formation d'un produit énantiopur. Les réactions de biocatalyse activées par Photoredox se répartissent en deux catégories :

  1. Coenzyme interne / cofacteur photocatalyseur
  2. Photocatalyseur externe

Certains cofacteurs courants de transfert d'atomes d'hydrogène ( HAT ) ( NADPH et Flavin ) peuvent fonctionner comme des réactifs de transfert d'électrons uniques ( SET ). Bien que ces espèces soient capables de THA sans irradiation, leurs potentiels redox sont augmentés de près de 2,0 V lors d'une irradiation à la lumière visible. Lorsqu'il est associé à leurs enzymes respectives (généralement des ène-réductases ), ce phénomène a été utilisé par les chimistes pour développer des méthodologies de réduction énantiosélective. Par exemple de taille moyenne lactames peuvent être synthétisés dans un environnement chiral d'une ène-réductase à travers un réducteur, Baldwin favorisée , cyclisation radical terminé par énantiosélectives HAT de NADPH.

La deuxième catégorie de réactions biocatalytiques activées par photoredox utilise un photocatalyseur externe (PC). De nombreux types de PC avec une large gamme de potentiels redox peuvent être utilisés, permettant une plus grande accordabilité du réactif par rapport à l'utilisation d'un cofacteur. Le rose bengale et le PC externe ont été utilisés en tandem avec une oxioréductase pour désacyler de manière énantiosélective des alpha-acyl- cétones de taille moyenne .

L'utilisation d'un PC externe présente certains inconvénients. Par exemple, les PC externes compliquent généralement la conception de la réaction car le PC peut réagir à la fois avec le substrat lié et non lié. Si une réaction se produit entre le substrat non lié et le PC, l'énantiosélectivité est perdue et d'autres réactions secondaires peuvent se produire.

Lectures complémentaires

  • Mortison, JD; Sherman, DH (2010). "Frontières et opportunités en synthèse chimioenzymatique" . J Org Chem . 75 (21) : 7041–51. doi : 10.1021/jo101124n . PMC  2966535 . PMID  20882949 .

Voir également

Les références

Liens externes