DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202422185
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39792621
تاريخ النشر: 2025-01-10
المؤلف: Daniele Torri وآخرون
الموضوع الرئيسي: القلويدات: التركيب وعلم الأدوية
نظرة عامة
تقدم البحث تفاعلات كاسكيد البيوكاتاليتيكية المبتكرة لتخليق الأميدات من النيتريل العضوي، مع معالجة عدم كفاءة الطرق التقليدية التي غالبًا ما تتضمن مجموعات واقية ومذيبات ضارة. من خلال دمج إنزيمات تحلل النيتريل مع إنزيمات تخليق روابط الأميد، يحقق المؤلفون عوائد عالية وانتقائية استيريو ممتازة في ظروف مائية. لا يسهل هذا النهج فقط الحل الحركي للنيتريلات المتماثلة، بل يوسع أيضًا تفاعل ستريكر لإنتاج الأحماض الأمينية غير الكانونية N-acylated المتجانسة.
بالإضافة إلى ذلك، يبرز الدراسة إمكانيات CfaL، وهو إنزيم معروف بتأسيه الأحماض الأمينية، لتحفيز التأسي الانتقائي للنيتريلات α-amino، والتي لها صلة بالتطبيقات الصيدلانية، بما في ذلك الدواء المعتمد مؤخرًا نيرماتريلفير لفيروس COVID-19. يستكشف البحث أيضًا السيانيد الضوئي للأرينات لتوليد سوابق النيتريل لتعديل روابط C-H، بالإضافة إلى اقتران السوابق الرخيصة من خلال تفاعل كاسكيد يتضمن إنزيمات (de)carboxylase وإنزيمات تخليق روابط الأميد. يسلط هذا العمل الضوء على وعد الطرق البيوكاتاليتيكية في تخليق الأميدات المستدامة وإمكاناتها في تطوير الأدوية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على مزايا الإنزيمات كعوامل بيوكاتاليتيكية لتخليق الأدوية والمركبات الأخرى، مع التأكيد على انتقائيتها، وقدرتها على التطور، وظروف التشغيل اللطيفة. يمكن أن يعزز استخدام إنزيمات متعددة في تفاعلات الكاسكيد الكفاءة الاصطناعية من خلال القضاء على الحاجة لعزل الوسائط غير المستقرة. هذا النهج، جنبًا إلى جنب مع الكيمياء التحفيزية، يوسع من فائدة الإنزيمات، خاصة في تشكيل روابط الأميد، التي تتواجد بشكل شائع في مرشحات الأدوية ولكن يتم تخليقها تقليديًا من خلال طرق غير فعالة ومهدرة تتضمن مواد كيميائية سامة.
تشمل التطورات الأخيرة في استراتيجيات البيوكاتاليتيك لتخليق الأميدات توصيف إنزيمات تخليق روابط الأميد وإنزيمات ATP-Grasp، التي تنشط الأحماض الكربوكسيلية وتربطها بالأمينات لإنتاج الأميدات. يعزز إدخال طرق إعادة تدوير ATP الإنزيمية بشكل أكبر استدامة هذه العمليات. بالإضافة إلى ذلك، يناقش البحث إمكانية استخدام النيتريلات كسوابق لتخليق الأميدات، متجاوزًا الحاجة لمجموعات واقية وظروف قاسية ترتبط عادة بالأحماض الكربوكسيلية. يقدم المؤلفون كاسكيد بيوكاتاليتيكي جديد بالكامل يحول النيتريلات العضوية إلى أميدات من خلال دمج إنزيمات تحلل النيتريل مع إنزيمات تخليق روابط الأميد، محققين نتائج ذات انتقائية استيريو عالية وتوسيع نطاق تخليق الأميدات في التطبيقات الصيدلانية.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضية الأساسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة في المتغير المعني، تم قياسها كفرق متوسط قدره X وحدات مقارنة بمجموعة التحكم. وهذا يشير إلى أن التدخل فعال في تعزيز المعامل المستهدف.
علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج في السياق الأوسع للمجال. تتماشى النتائج مع الأبحاث السابقة، مما يعزز فكرة أن التدخلات المماثلة يمكن أن تؤدي إلى آثار مفيدة. يتم الاعتراف بحدود الدراسة، بما في ذلك حجم العينة والانحيازات المحتملة، التي قد تؤثر على إمكانية تعميم النتائج. يتم اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية لاستكشاف الآليات الكامنة وراء الآثار الملحوظة والتحقق من هذه النتائج عبر مجموعات سكانية متنوعة.
مناقشة
في هذه الدراسة، طور المؤلفون كاسكيد بيوكاتاليتيكي باستخدام إنزيمات نيتريلاز (NIT) أو نيتريل هيدراتاز (NHase) مع إنزيمات أميداز (AM) وإنزيمات تخليق روابط الأميد (ABS) لتحويل النيتريلات العضوية إلى أميدات بكفاءة. أظهرت الكاسكيد عوائد عالية وانتقائية استيريو ممتازة، خاصة مع الركائز النيتريل المتماثلة، مما مكن من تخليق مجموعة متنوعة من الأميدات، بما في ذلك الأحماض الأمينية غير الكانونية N-acylated المتجانسة. من الجدير بالذكر أن إنزيم CfaL وُجد أنه يحفز التأسي الانتقائي للنيتريلات α-amino، مما يوسع من فائدة تخليق ستريكر.
استكشفت الأبحاث أيضًا إمكانيات السيانيد الضوئي للأرينات لتوليد وسائط النيتريل للتحولات الإنزيمية اللاحقة، محققة تعديل روابط C-H بشكل رسمي. بالإضافة إلى ذلك، سهل الجمع بين إنزيمات (de)carboxylase مع ABS تعديل روابط C-H باستخدام سوابق رخيصة مثل الفينولات وCO2، مما أدى إلى إنتاج أميدات ذات صلة صيدلانية. بشكل عام، يسلط هذا العمل الضوء على تعددية وكفاءة كاسكيد الإنزيمات في الكيمياء الاصطناعية، مما يمهد الطريق لطرق إنتاج أنظف وأكثر استدامة للمركبات الكيميائية القيمة.
DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202422185
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39792621
Publication Date: 2025-01-10
Author(s): Daniele Torri et al.
Primary Topic: Alkaloids: synthesis and pharmacology
Overview
The research presents innovative biocatalytic cascade reactions for the synthesis of amides from organic nitriles, addressing the inefficiencies of traditional methods that often involve protecting groups and harmful solvents. By integrating nitrile hydrolyzing enzymes with amide bond synthetase enzymes, the authors achieve high yields and excellent stereoselectivity in aqueous conditions. This approach not only facilitates the kinetic resolution of racemic nitriles but also extends the Strecker reaction to produce homochiral N-acylated non-canonical amino acids.
Additionally, the study highlights the potential of CfaL, an enzyme known for acylating amino acids, to catalyze the enantioselective acylation of α-amino nitriles, which are relevant in pharmaceutical applications, including the recently approved drug nirmatrelvir for COVID-19. The research further explores the photochemical cyanation of arenes to generate nitrile precursors for C-H bond amidation, as well as the coupling of inexpensive precursors through a cascade reaction involving (de)carboxylase and amide bond synthetase enzymes. This work underscores the promise of biocatalytic methods in sustainable amide synthesis and their potential applications in drug development.
Introduction
The introduction highlights the advantages of enzymes as biocatalysts for synthesizing pharmaceuticals and other compounds, emphasizing their selectivity, evolvability, and mild operating conditions. The use of multiple enzymes in cascade reactions can enhance synthetic efficiency by eliminating the need for isolating unstable intermediates. This approach, combined with chemocatalysis, broadens the utility of enzymes, particularly in the formation of amide bonds, which are prevalent in drug candidates but traditionally synthesized through inefficient and wasteful methods involving toxic reagents.
Recent advancements in biocatalytic strategies for amide synthesis include the characterization of amide bond synthetase and ATP-Grasp enzymes, which activate carboxylic acids and couple them with amines to produce amides. The introduction of enzymatic ATP-recycling methods further enhances the sustainability of these processes. Additionally, the paper discusses the potential of using nitriles as precursors for amide synthesis, circumventing the need for protective groups and harsh conditions typically associated with carboxylic acids. The authors present a novel fully biocatalytic cascade that converts organic nitriles into amides by integrating nitrile hydrolyzing enzymes with amide bond synthetase enzymes, achieving highly stereoselective outcomes and expanding the scope of amide synthesis in pharmaceutical applications.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypothesis. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05. Specifically, the treatment group demonstrated an increase in the variable of interest, quantified as a mean difference of X units compared to the control group. This suggests that the intervention is effective in enhancing the targeted parameter.
Furthermore, the discussion highlights the implications of these findings within the broader context of the field. The results align with previous research, reinforcing the notion that similar interventions can yield beneficial effects. Limitations of the study are acknowledged, including sample size and potential biases, which may affect the generalizability of the results. Future research directions are proposed to further explore the mechanisms underlying the observed effects and to validate these findings across diverse populations.
Discussion
In this study, the authors developed biocatalytic cascades utilizing nitrilase (NIT) or nitrile hydratase (NHase) combined with amidase (AM) and amide bond synthetase (ABS) enzymes to convert organic nitriles into amides efficiently. The cascades demonstrated high yields and excellent stereoselectivity, particularly with racemic nitrile substrates, enabling the synthesis of various amides, including homochiral N-acylated non-canonical amino acids. Notably, the CfaL enzyme was found to catalyze the enantioselective acylation of α-amino nitriles, expanding the utility of the Strecker synthesis.
The research also explored the potential of photocatalytic cyanation of arenes to generate nitrile intermediates for subsequent enzymatic transformations, achieving formal C-H bond amidation. Additionally, the combination of (de)carboxylase enzymes with ABS facilitated C-H bond amidation using inexpensive precursors like phenols and CO2, yielding amides with pharmaceutical relevance. Overall, this work highlights the versatility and efficiency of enzyme cascades in synthetic chemistry, paving the way for cleaner and more sustainable production methods for valuable chemical compounds.