Inteligentny kosubstrat

Inteligentny kosubstrat to rodzaj kosubstratu używanego do regeneracji kofaktora w celu uzyskania większej produktywności i mniejszego wpływu na środowisko ( współczynnik E ). Dobrym przykładem inteligentnego kosubstratu jest diol zdolny do laktonizacji .

W biokatalizie redoks kofaktor nikotynamidu (NAD(P)H lub NAD(P)+) może działać jako donor lub akceptor elektronów , uwalniając lub przyjmując wodorek . Kofaktor musi być stosowany w reakcji albo w ilościach stechiometrycznych prowadzących do hamowania i problemów ekonomicznych, albo w ilościach katalitycznych połączonych z systemem regeneracji in situ . Powszechnym podejściem do katalitycznych ilości jest nadmierne stosowanie ofiarnych cząsteczek organicznych, takich jak izopropanol lub etanol . Takie podejście prowadzi jednak do stechiometrycznych ilości odpadów.

Zastosowanie 1,4-butanodiolu jako inteligentnego kosubstratu do regeneracji kofaktora było kolejnym krokiem w kierunku bardziej zrównoważonej biokatalizy redoks (Schemat 1). Tworzenie stabilnego termodynamicznie gamma-butyrolaktonu jako produktu ubocznego prowadzi reakcję do końca, jednocześnie dając wyższe szybkości reakcji. Zastosowanie 1,4-butanodiolu jako inteligentnego kosubstratu zostało również potwierdzone w mediach niewodnych przy użyciu komercyjnego ADH .

Porównanie zastosowania izopropanolu (po lewej) z podejściem „inteligentnego kosubstratu” z użyciem 1,4-butanodiolu . Koprodukt laktonu , że ​​reakcja regeneracji jest nieodwracalna

Podwójnie inteligentny kosubstrat

Synteza ɛ-kaprolaktonu (ECL) poprzez zbieżny system kaskadowy przez sprzęganie katalizowane przez monooksygenazę Baeyera-Villigera (BVMO) utlenianie cykloheksanonu ( CHO) do ECL, promowane przez katalizowane przez dehydrogenazę alkoholową (ADH) utlenianie „podwójnie- inteligentny kosubstrat 1,6-heksanodiol (1,6-HD) do regeneracji NAD(P)H , uzyskując ECL.

Biokatalityczne reakcje kaskadowe dzielą się obecnie na cztery różne kategorie:

1. Liniowy, czyli biokatalityczny
2. Prostokątny
3. Równoległy
4. Cykliczny

Jednak opisano tylko dwa typy kaskad obojętnych redoks dla regeneracji kofaktorów in situ: kaskady równoległe (tj. pojedynczy półprodukt — pojedynczy produkt).

Koncepcję inteligentnego kosubstratu rozwinięto poprzez zaprojektowanie nowej klasy reakcji „zbieżnej kaskady” neutralnych pod względem redoks. Zbieżne reakcje kaskadowe obejmują bi-substrat i pojedynczy produkt bez tworzenia półproduktu i zostały opracowane do produkcji epsilon-kaprolaktonu , który składa się z monooksygenazy Baeyera-Villigera ; do utleniania cykloheksanonu ; dehydrogenaza alkoholowa do utleniania „podwójnie inteligentnego kosubstratu” 1,6-heksanodiolu ; oraz do jednoczesnej regeneracji kofaktora nikotynamidu. W 2016 roku zgłoszono dwuetapową optymalizację kaskady zbieżnej za pomocą Design-of-Experiments i systemu dwufazowego.

Inteligentne kosubstraty są eleganckim rozwiązaniem dla termodynamicznie ograniczonych reakcji redoks i mają wiele zalet:

1. Należy stosować mniej konwencjonalne kosubstraty (np. izopropanol, etanol), które negatywnie wpływają na aktywność enzymów.
2. Powstaje mniej odpadów.
3. Reakcje są szybsze, co może być spowodowane brakiem acetonu lub aldehydu octowego jako produktu ubocznego, co prowadzi do zmniejszenia aktywności enzymów.