Haloalkane dehalogenases in biocatalysis:kinetic resolution and beyond

Kijk eens goed naar je eigen handen. Aan elke hand zitten precies dezelfde dingen: een duim, wijsvinger, middelvinger, ringvinger en pink, verder zijn alle botjes in je hand hetzelfde. De vorm is hetzelfde en ook zijn ze gelijk in gewicht. Maar kijk nu nog eens iets beter. Wat valt je op? Je handen mogen dan wel uit precies dezelfde onderdelen bestaan, toch zijn ze verschillend, omdat ze elkaars spiegelbeelden zijn. IJDELE SCHEIKUNDE Net als met handen lijken sommige moleculen precies op elkaar, maar zijn ze elkaars spiegelbeelden en zijn ze dus niet helemaal hetzelfde. Wel hebben ze dezelfde opbouw, met dezelfde atomen, in dezelfde volgorde en op dezelfde posities. Het gewicht is ook precies gelijk. Zulke spiegelbeelden noemen we enantiomeren; er is dan een “linker” en een “rechter” variant. Enantiomeren spelen een belangrijke rol in de biologie en scheikunde en daarmee ook in ons lichaam en in bacteriën, planten en dieren. Bij bijna alle processen in ons lichaam zijn eiwitten betrokken. Eiwit is het belangrijkste onderdeel van je haar, huid en nagels en eiwitten zijn van groot belang in je afweersysteem. Ook zijn eiwitten betrokken bij het verwerken van je voedsel. In het laatste geval werken eiwitten als katalysatoren, ze versnellen de afbraak van voedingsmiddelen tot nuttige bouwstenen en energiebronnen voor ons lichaam. In zo’n geval wordt een eiwit ook wel een enzym genoemd. Er zijn heel veel verschillende soorten enzymen die elk een eigen stofje, ook wel substraat genoemd, herkennen en omzetten naar een product. Eiwitten bestaan uit lange ketens van aan elkaar gekoppelde bouwstenen, zogeheten aminozuren. Van deze aminozuren bestaan ook twee varianten, twee enantiomeren. In de natuur wordt echter slechts één van de twee varianten gebruikt, de andere komt niet voor. Om deze reden bestaat er van een eiwit slechts één spiegelbeeld. Het blijkt dat moleculen die hetzelfde lijken, maar enantiomeren en dus elkaars spiegelbeeld zijn, een verschillend effect kunnen hebben op ons lichaam. Zo kan de biologische uitwerking van de twee enantiomeren, bijvoorbeeld van een medicijn, compleet anders zijn. Een voorbeeld hiervan is de ontstekingsremmer naproxen. Het ene enantiomeer van naproxen geeft het gewenste effect, terwijl het andere maagdarmklachten tot gevolg heeft. In zo’n geval is het erg belangrijk dat slechts één van de enantiomeren wordt toegediend

Effect of Bioengineering Lacticin 3147 Lanthionine Bridges on Specific Activity and Resistance to Heat and Proteases

peer-reviewedLacticin 3147 is a lantibiotic with seven lanthionine bridges across its two component peptides, Ltnα and Ltnβ. Although it has been proposed that the eponymous lanthionine and (β-methyl)lanthionine (Lan and meLan) bridges present in lantibiotics make an important contribution to protecting the peptides from thermal or proteolytic degradation, few studies have investigated this link. We have generated a bank of bioengineered derivatives of lacticin 3147, in which selected bridges were removed or converted between Lan and meLan, which were exposed to high temperature or proteolytic enzymes. Although switching Lan and meLan bridges has variable consequences, it was consistently observed that an intact N-terminal lanthionine bridge (Ring A) confers Ltnα with enhanced resistance to thermal and proteolytic degradation

Haloalkane dehalogenases in biocatalysis : kinetic resolution and beyond

Kijk eens goed naar je eigen handen. Aan elke hand zitten precies dezelfde dingen: een duim, wijsvinger, middelvinger, ringvinger en pink, verder zijn alle botjes in je hand hetzelfde. De vorm is hetzelfde en ook zijn ze gelijk in gewicht. Maar kijk nu nog eens iets beter. Wat valt je op? Je handen mogen dan wel uit precies dezelfde onderdelen bestaan, toch zijn ze verschillend, omdat ze elkaars spiegelbeelden zijn. IJDELE SCHEIKUNDE Net als met handen lijken sommige moleculen precies op elkaar, maar zijn ze elkaars spiegelbeelden en zijn ze dus niet helemaal hetzelfde. Wel hebben ze dezelfde opbouw, met dezelfde atomen, in dezelfde volgorde en op dezelfde posities. Het gewicht is ook precies gelijk. Zulke spiegelbeelden noemen we enantiomeren; er is dan een “linker” en een “rechter” variant. Enantiomeren spelen een belangrijke rol in de biologie en scheikunde en daarmee ook in ons lichaam en in bacteriën, planten en dieren. Bij bijna alle processen in ons lichaam zijn eiwitten betrokken. Eiwit is het belangrijkste onderdeel van je haar, huid en nagels en eiwitten zijn van groot belang in je afweersysteem. Ook zijn eiwitten betrokken bij het verwerken van je voedsel. In het laatste geval werken eiwitten als katalysatoren, ze versnellen de afbraak van voedingsmiddelen tot nuttige bouwstenen en energiebronnen voor ons lichaam. In zo’n geval wordt een eiwit ook wel een enzym genoemd. Er zijn heel veel verschillende soorten enzymen die elk een eigen stofje, ook wel substraat genoemd, herkennen en omzetten naar een product. Eiwitten bestaan uit lange ketens van aan elkaar gekoppelde bouwstenen, zogeheten aminozuren. Van deze aminozuren bestaan ook twee varianten, twee enantiomeren. In de natuur wordt echter slechts één van de twee varianten gebruikt, de andere komt niet voor. Om deze reden bestaat er van een eiwit slechts één spiegelbeeld. Het blijkt dat moleculen die hetzelfde lijken, maar enantiomeren en dus elkaars spiegelbeeld zijn, een verschillend effect kunnen hebben op ons lichaam. Zo kan de biologische uitwerking van de twee enantiomeren, bijvoorbeeld van een medicijn, compleet anders zijn. Een voorbeeld hiervan is de ontstekingsremmer naproxen. Het ene enantiomeer van naproxen geeft het gewenste effect, terwijl het andere maagdarmklachten tot gevolg heeft. In zo’n geval is het erg belangrijk dat slechts één van de enantiomeren wordt toegediend.

Haloalkane dehalogenase catalysed desymmetrisation and tandem kinetic resolution for the preparation of chiral haloalcohols

Six different bacterial haloalkane dehalogenases were recombinantly produced in Escherichia coli, purified, and used to catalyse the conversion of prochiral short-chain dihaloalkanes and a meso dihaloalkane, yielding enantioenriched haloalcohols. A two-reaction one-enzyme process was established in which the desymmetrisation of a dihaloalkane is followed by kinetic resolution of the chiral haloalcohol that is produced in the first step. In case of 1,3-dibromo-2-methylpropane and 1,3-dibromo-2-phenylpropane, an increase of the enantiomeric excess of the respective haloalcohol was observed in time, leading to ee values of >97%, with analytical yields of 24 and 52%, respectively. The results show that haloalkane dehalogenases can be used for the production of highly enantioenriched haloalcohols and that in some cases product enantiopurity can be improved by allowing a two-step one-enzyme tandem reaction.

Kinetic Resolution of α-Bromoamides: Experimental and Theoretical Investigation of Highly Enantioselective Reactions Catalyzed by Haloalkane Dehalogenases

Haloalkane dehalogenases from five sources were heterologously expressed in Escherichia coli, isolated, and tested for their ability to achieve kinetic resolution of racemic α-bromoamides, which are important intermediates used in the preparation of bioactive compounds. To explore the substrate scope, fourteen α-bromoamides, with different Cα- and N-substituents, were synthesized. Catalytic activity towards eight substrates was found, and for five of these compounds the conversion proceeded with a high enantioselectivity (E value >200). In all cases, the (R)-α-bromoamide is the preferred substrate. Conversions on a preparative scale with a catalytic amount of enzyme (enzyme:substrate ratio less 1:50 w/w) were all completed within 17–46 h and optically pure α-bromoamides and α-hydroxyamides were isolated with good yields (31–50%). Substrate docking followed by molecular dynamics simulations indicated that the high enantioselectivity results from differences in the percentage of the time in which the substrate enantiomers are bound favourably for catalysis. For the preferred (R)-substrates, the angle between the attacking aspartate oxygen atom of the enzyme, the attacked carbon atom of the substrate, and the displaced halogen atom, is more often in the optimal range (>157°) for reactivity. This can explain the observed enantioselectivity of LinB dehalogenase in a kinetic resolution experiment.

Effect of Bioengineering Lacticin 3147 Lanthionine Bridges on Specific Activity and Resistance to Heat and Proteases

Lacticin 3147 is a lantibiotic with seven lanthionine bridges across its two component peptides, Ltnα and Ltnβ. Although it has been proposed that the eponymous lanthionine and (β-methyl)lanthionine (Lan and meLan) bridges present in lantibiotics make an important contribution to protecting the peptides from thermal or proteolytic degradation, few studies have investigated this link. We have generated a bank of bioengineered derivatives of lacticin 3147, in which selected bridges were removed or converted between Lan and meLan, which were exposed to high temperature or proteolytic enzymes. Although switching Lan and meLan bridges has variable consequences, it was consistently observed that an intact N-terminal lanthionine bridge (Ring A) confers Ltnα with enhanced resistance to thermal and proteolytic degradation