Biokatalitikus Baeyer-Villiger oxidációk Doktori (PhD) értekezés tézisei Készítette: Muskotál Adél Környezettudományok Doktori Iskola Témavezető: Dr. Vonderviszt Ferenc egyetemi tanár Pannon Egyetem Műszaki Informatikai Kar Nanotechnológia Tanszék 2008.
Bevezetés, célkitűzés A hagyományos kémiai módszerek mellett napjainkban a környezetvédelem fontossága miatt fokozatosan előtérbe kerülnek a biokatalitikus eljárások mind laboratóriumi, mind ipari méretekben. A biokatalízis, biotranszformáció céljaira felhasználható rendszerek: enzimek, mikroorganizmusok számos előnyös tulajdonsággal rendelkeznek. Számtalan kémiai reakciónak megtalálható az enzimatikus megfelelője, így széles körben alkalmazhatóak a biokatalizátorok, melyeknek szelektivitása és hatékonysága vonzó lehet a szintetikus kémiában. Az enzimek királis katalizátorok, így sok esetben elkerülhető velük a mérgező, vagy a környezetet súlyosan károsító melléktermékek képződése is. Királis laktonok, mint az enantioszelektív szintézisek értékes prekurzorainak környezetbarát előállítására hatékony módszert kínál a Baeyer-Villiger oxidáció, amellyel lehetőség nyílik szén-szén kötések felszakítására egy oxigénatom beékelődésével. Baktériumokból származó monooxigenáz enzimek képesek katalizálni a Baeyer-Villiger oxidációt. A karbo- és heterobiciklusos ketonok Baeyer-Villiger oxidációja ígéretes, megfelelő optikai tisztaságú enantiomert tartalmazó intermediereket szolgáltatna a gyógyszerek szintéziséhez, de közvetlen biotranszformációjuk nem játszódik le felhasználható konverzióval. Munkám elsődleges célja, hogy gyűrűnyitási metatézist dolgozzak ki különböző heteroatomot is tartalmazó β- cisz biciklusos rendszerekre, majd vizsgáljam az ily módon előállított ketonok Baeyer-Villiger oxidációját rekombináns Escherichia coli sejtekkel. További feladatom a biotranszformációk során keletkező szimmetrikusan szubsztituált heterociklusos laktonok tisztítása, és a tiszta termékek enantiomer-tisztaságának jellemzése. Génsebészeti technikákat felhasználva monooxigenáz enzimek fúziós konstrukcióit kívánom létrehozni a polimerizációs képességgel rendelkező flagellin fehérjének, mint a baktériumok flagelláris filamentumait felépítő legfőbb alegységének a segítségével. Ezek a génmódosított baktériumok hordozzák azt a lehetőséget, hogy újszerű mikrobiális biokatalizátorokként működjenek és közvetlenül alkalmazhatóak legyenek biokonverzióknál. 2
Új tudományos eredmények 1. Kifejlesztettem egy egyszerű és hatékony módszert heteroatomot is tartalmazó β-cisz biciklusos rendszerek előállítására. Ezzel a kétlépéses folyamattal (ciklizáció és debrómozás) bonyolult feldolgozás nélkül, megfelelő hozammal preparáltam a biciklo-oktanonokat. Ez a módszer grammnyi mennyiségek előállítására is lehetőséget nyújt. 2. Az általam előállított biciklusos rendszerekre megalkottam egy gyűrűnyitási reakciót gázhalmazállapotú olefinek felhasználásával. Ezzel a reakcióval difunkcionált ciklohexanonokat és perhidro-pironokat állítottam elő. 3. Megállapítottam, hogy az előállított perhidro-piron molekulák alkalmasak sejtes biotranszformációk tanulmányozására. A keletkezett laktonok tisztítására módszert dolgoztam ki. Az általam felhasznált hét baktériumfajból származó monooxigenázok közül szinte mindegyik esetben a legjobb hozammal és kiváló optikai tisztasággal a CHMO Acineto enzim katalizálta a laktonok keletkezését. A divinil szubsztrátumot a CHMO BreviI enzim alakította át a legjobb hozammal és megfelelő enantiomertisztasággal. 4. Megállapítottam a baktériumokkal előállított szubsztituált dioxepanon tiszta enantiomer termékeimre a (2S, 7R) abszolút konfigurációt. 5. Biotranszformációimmal igazoltam a korábban felállított hipotézist, hogy a Baeyer- Villiger monooxigenáz enzimek kettő csoportra oszthatók a katalizált reakcióik alapján. Ebből következik az alábbi csoportosítás: CHMO csoport: CHMO Acineto, CHMO RhodoI, CHMO RhodoII, CHMO Acido, CHMO Arthro CPMO csoport: CPMO Coma és CHMO BreviII Bizonyítottam, hogy a CHMO BreviI enzim egyik csoportba sem sorolható, egy extrém esetet képvisel, átmenetet képezve a különböző biokatalitikus viselkedésformák között. 3
6. A biotechnológiai folyamatok leegyszerűsítésének érdekében megterveztem és létrehoztam a flagellin-chmo Acineto és a flagellin-cpmo Coma DNS-konstrukciókat, melyeknek alapját a génsebészeti eljárással előállított D3-deléciós flagellin plazmid képezi. 7. A D3-deléciós flagellin fehérjével kapcsolatos vizsgálataimból megállapítottam, hogy a D3 domén eltávolítása nem befolyásolta számottevően a baktériumok úszási képességét és a filamentumok stabilitását. A mutáns flagellint ugyanolyan mennyiségben termeli a Salmonella baktérium mint az eredeti vad flagellint. A filamentumok olvadáspontja csupán 2 C-kal volt alacsonyabb, mint a vad fehérje esetében. A D3-deléciós filamentum proteázokkal szemben hosszú időn át stabil maradt. A mutáns flagellinekből felépített filamentumok jó alapot adnak a továbbfejlesztésre váró enzimaktivitással és polimerizációs képességgel is rendelkező nanoszerkezetek létrehozásához. 4
Publikációk 1) Z. Gugolya, A. Muskotál, A. Sebestyén, Z. Diószeghy, F. Vonderviszt: Interaction of the disordered terminal regions of flagellin upon filament formation. FEBS Letters 535 (2003) 66-70. 2) M. D. Mihovilovic, B. Grötzl, W. Kandioller, R. Snajdrova, A. Muskotál, D. A. Bianchi, P. Stanetty: Facile Synthesis and Ring-Opening Cross Metathesis of Carboand Heterocyclic Bicyclo[3.2.1]oct-6-en-3-ones Using Gaseous Olefinic Reaction Partners. Adv. Synth. Catal. 348 (2006) 463-470. 3) A. Muskotál, R. Király, A. Sebestyén, Z. Gugolya, B. M. Végh, F. Vonderviszt: Interaction of FliS flagellar chaperone with flagellin. FEBS Letters 580 (2006) 3916-3920. 4) M. D. Mihovilovic, B. Grötzl, W. Kandioller, A. Muskotál, R. Snajdrova, F. Rudroff, H.Spreitzer: Recombinant Whole-Cell Mediated Baeyer-Villiger Oxidation of Perhydropyran-Type Ketones, Chem. Biodiv. 5, (2008) 490-498. 5) Sebestyén, A. Muskotál, B. M. Végh, F. Vonderviszt: The Hypervariable D3 Domain of Salmonella Flagellin is An Autonomous Folding Unit, Protein and Peptide Letters, 15, (2008) 54-57. 6) P. Kozma, N. Nagy, S. Kurunczi, P. Petrik, A. Hámori, A. Muskotál, F. Vonderviszt, M. Fried, I. Bársony: Ellipsometric characterization of flagellin films for biosensor applications, Physica Status Solidi C, 5, (2008) 1427-1430. 7) T. Feczkó, A. Muskotál, L. Gál, J. Szépvölgyi, A. Sebestyén, F. Vonderviszt: Synthesis of Ni-Zn ferrite nanoparticles in radiofrequency thermal plasma reactor and their use for purification of histidine-tagged proteins, J. anopart. Res., közlésre elfogadva. 5
Konferenciarészvétel 1) Muskotál A.: A flagellinmolekula rendezetlen terminális régióinak szerepe az alegységek kölcsönhatásaiban Veszprémi Egyetem Tudományos Diákköri konferenciája, előadás, 2. helyezés a Kémiai és Vegyipari szekcióban, Veszprém, 2001. november 21. 2) Muskotál A.: A flagellinmolekula rendezetlen terminális régióinak szerepe az alegységek kölcsönhatásaiban VIII. Országos Felsőoktatási Környezettudományi Diákkonferencia, előadás, különdíj a környezeti kémia szekcióban, Veszprém, 2002. március 26-28. 3) Vonderviszt F., Muskotál, A., Sebestyén, A., Gugolya, Z., Diószeghy, Z.: Interaction of the disordered terminal regions of flagellin upon filament formation, poszter, XIV. International Biophysics Congress, Buenos Aires, Argentina, 2002. április 27 - május 1. 4) Muskotál, A., Sebestyén A., Vonderviszt F: A flagellinmolekula rendezetlen terminális régióinak szerepe az alegységek kölcsönhatásaiban, előadás Magyar Biofizikai Társaság Szekcióülés, Szeged, 2002. április 12. 5) Muskotál, A.: A flagellinmolekula rendezetlen terminális régióinak szerepe az alegységek kölcsönhatásaiban XXVI. Országos Tudományos Diákköri Konferencia, előadás, 2. helyezés a Kémiai és Vegyipari szekcióban, 2003. április 14-16. 6) Muskotál, A., Sebestyén, A., Gugolya, Z., Diószeghy, Z., Vonderviszt, F.: A flagellinmolekula rendezetlen terminális régióinak szerepe az alegységek kölcsönhatásaiban, poszter, A Magyar Biokémiai Egyesület Molekuláris Biológiai Szakosztálya Munkaértekezlete; Keszthely, 2002. május 14-17. 7) Muskotál A., Király R., Sebestyén A., Végh B., Vonderviszt F: A flagellin-specifikus FliS chaperone jellemzése, poszter, A Magyar Biokémiai Egyesület Molekuláris Biológiai Szakosztálya Munkaértekezlete; Tihany, 2003. május 12-15. 8) Muskotál A., Király R., Sebestyén A., Végh B., Vonderviszt F.: A flagellin-specifikus FliS dajkafehérje szerepe a flagellin exportjában, poszter, Az MBFT XXI. Kongresszusa, Szeged, 2003. aug. 24-27. 6
9) Muskotál, A., Sebestyén, A., Gugolya, Z., Diószeghy, Z., Vonderviszt, F.: Interaction of the disordered terminal regions of flagellin upon filament formation, előadás, Keihanna International Conference on Molecular Biophysics,; Kyoto, Japan, 2002. szeptember 19-21. 10) Sebestyén A. Gugolya Z. Jakab G. Muskotál A. Diószeghy Z. Závodszky P. Vonderviszt F.: A flagellum-specifikus exportrendszer FliH komponense foszfolipáz aktivitással rendelkező multi-cink fehérje, poszter, MBFT XXII. Kongresszusa, Debrecen, 2005. június 26-29. 11) Muskotál, A., Király, R., Sebestyén, A., Végh, B. M., Gugolya, Z. and Vonderviszt, F.: Characterization of Salmonella FliS flagellar chaperone binding to flagellin, poszter, 30th FEBS Congress and 9th IUBMB Conference, Budapest, 2005. július 2-7. 12) Muskotál A.: Ezociklusos ketonok szintézise és mikrobiális Baeyer-Villiger oxidációja, előadás, Műszaki Kémiai Napok, Veszprém, 2006. április 25-27. 13) Sebestyén A, Muskotál A, Szekrényes Á, Gyimesi G, Kurunczi S és Vonderviszt F: Nehézfém-kötő flagellin alapú receptorok, poszter, Nanobiológia Miniszimpózium, Pécs, a legjobb poszter díja, 2006. november 9. 14) Sebestyén A, Muskotál A, Szekrényes Á, Gyimesi G, Kurunczi S és Vonderviszt F: Nehézfém-kötő flagellin alapú receptorok, poszter, Műszaki Kémiai Napok, Veszprém, 2007. április 25-27. 15) Sebestyén A., Muskotál A., Szekrényes Á., Gyimesi G., Vonderviszt F., Bársony I.: Ni- and As-binding flagellin-based receptors, poszter, EMRS Spring Meeting 2007, Strasbourg, France, 2007. május 28- június 1. 16) 2007. aug. 21-25. A. Muskotál, L. Gál, T. Feczkó, J. Szépvölgyi, F. Vonderviszt: Application of magnetic particles synthesized by thermal plasma for protein purification, poszter, Regional Biophysics Conference, Balatonfüred 7