Les amides et les thioesters sont des composés omniprésents en chimie, utilisés pour la production de médicaments, de produits naturels et de matériaux avancés. Traditionnellement, leur synthèse est une activité compliquée, impliquant un gaspillage de réactifs, des métaux toxiques ou des conditions énergivores.
L’utilisation d’enzymes peut ici offrir une alternative écologique et efficace. Cependant, les méthodes biocatalytiques établies nécessitent généralement des cofacteurs coûteux (molécules auxiliaires) comme l’ATP qui soutiennent la conversion enzymatique. De plus, la portée de la conversion enzymatique peut être plutôt limitée, de sorte que seules quelques variétés structurelles du produit souhaité sont obtenues.
Dans l'étude maintenant publiée dans Angewandte Chemie International Editionles chercheurs en biocatalyse révèlent comment les amides et les thioesters peuvent être produits de manière relativement simple à l'aide d'enzymes alcool déshydrogénase (ADH). Ils ont également pu étendre la portée de cette conversion enzymatique grâce à l’ingénierie enzymatique.
Enseigner aux enzymes ADH une nouvelle astuce
Dans la nature, les alcools déshydrogénases catalysent l'oxydation d'un alcool en un composé carbonylé, d'où leur nom. Puisqu’il s’agit d’une conversion réversible, les ADH peuvent également catalyser la réduction des composés carbonylés en alcools. Le « sens réduction » est en effet l'application la plus courante des ADH dans l'industrie, notamment pour produire des alcools secondaires chiraux à partir de cétones prochirales. En conséquence, les enzymes sont également appelées carbonyl réductases ou cétoréductases.
Les recherches actuelles des chercheurs de HIMS Biocat s'ajoutent désormais à la boîte à outils industrielle en exploitant la voie avancée de l'oxydation de l'alcool. Dans leur article, l'équipe décrit comment elle a pu « enseigner un nouveau truc aux ADH » : établir des liens directs entre les alcools et les amines ou les thiols.
Synthèse efficace et propre
Alors, quelle est l'astuce ? Lorsqu'un ADH oxyde un alcool en aldéhyde, l'aldéhyde peut réagir sur place avec une amine ou un thiol, qui agit comme un nucléophile. Cette réaction supplémentaire crée des intermédiaires appelés respectivement hémiaminal ou hémithioacétal.
Au lieu de s’arrêter là, l’enzyme réalise une deuxième étape d’oxydation de ces intermédiaires. Le résultat est la formation d’un amide ou d’un thioester, respectivement, qui sont tous deux des composés très précieux en synthèse industrielle.
En testant une gamme d'ADH, les chercheurs ont pu révéler le nouveau « couplage oxydatif » dans environ la moitié des cas. Les rendements ont atteint jusqu'à 99 % en utilisant seulement 0,1 % en mole de l'enzyme par rapport au substrat alcoolique. L’évolutivité de la réaction a également été prouvée.
En conséquence, cette application des ADH ouvre la voie à une synthèse efficace et propre des amides et des thioesters. Sans avoir besoin d'ATP coûteux, d'intermédiaires activés ou de conditions de réaction difficiles : juste l'enzyme, l'air et le tampon aqueux.
Élargir la portée
Pour élargir davantage la portée, les chercheurs ont eu recours à l’ingénierie des protéines. En mutant les résidus clés et en ouvrant le site actif, l'enzyme conçue a permis l'acceptation d'amines et de thiols plus volumineux, permettant ainsi la synthèse d'amides et de thioesters encore plus difficiles. Les chercheurs s’attendent à ce que la portée devienne beaucoup plus large à l’avenir en effectuant davantage d’ingénierie protéique et en testant d’autres ADH.
Ce travail montre comment l'exploration et l'ajustement de la « réactivité cachée » des enzymes connues peuvent conduire à de nouvelles biotransformations utiles. Cette méthode verte et polyvalente fournit une plate-forme durable pour synthétiser des éléments de base essentiels aux produits pharmaceutiques, agrochimiques et biomatériaux, contribuant ainsi grandement à une chimie industrielle plus propre.
