Physical and Chemical Approaches for Integrating Chemocatalysis with Biocatalysis in Cascade Reactions

Integrationen af kemo- og biokatalysatorer giver en robust og bæredygtig
tilgang til kompleks kemisk biotransformation. Denne strategi udnytter de
forskellige fordele ved begge katalytiske systemer, udvider omfanget af
substrater, forbedrer reaktionseffektiviteten og selektiviteten og gør det muligt at realisere nye transformationer, der er vanskelige at opnå med enten biokatalyse eller kemokatalyse alene. Men denne kombination giver også betydelige udfordringer, især med hensyn til katalysatorernes kompatibilitet og genanvendelighed. Desuden er udvikling af strategier til problemfri integration af disse to katalytiske systemer stadig en formidabel opgave inden for området.


For at løse disse udfordringer præsenterer denne afhandling systematiske og
alsidige tilgange til at kombinere forskellige kemokatalysatorer med enzymer og hele celler gennem fysiske og kemiske modifikationer. Afhandlingen begynder med en state-of-the-art introduktion til feltet, der giver et overblik over kemoenzymatiske kaskade-reaktioner og fokuserer på brugen af fysiske og
kemiske metoder til at integrere biokatalysatorer og kemiske katalysatorer.


På baggrund af disse tilgange beskriver afhandlingen derefter fire specifikke
projekter under mit ph.d.-studium, der er designet til at opnå kemoenzymatisk
syntese:


1) Supramolekylær vært-gæst-kemi: Denne tilgang anvender en supramolekylær strategi, hvor kationiske supramolekylære polymerer bruges til at indkapsle fotokatalysatorer via vært-gæst-kemi. Disse indkapslede fotokatalysatorer coates derefter på overfladen af Escherichia coli (E. coli), der udtrykker forskellige enzymer. Denne opsætning muliggør en effektiv fotobiokatalytisk kaskadesyntese med den ekstra fordel, at den er nem at genbruge.


2) Indkapsling af liposomer: Kationiske liposomer bruges til at indkapsle fotokatalysatorer og på samme måde belægge dem på enzymudtrykkende E. coli, hvilket letter fotobiokatalytiske kaskader.


3) Indkapsling af miceller: En selvsamlende proteinpolymer er udviklet til at danne miceller i et vandigt miljø, hvilket effektivt indkapsler hydrofobe fotokatalysatorer. Når dette system kombineres med enzymudtrykkende E. coli, understøtter det en række biofotokatalytiske kaskadesynteser.


4) Kunstige enzymstrategier: Et hybrid kunstigt enzym er konstrueret ved at polymerisere en organokatalysator på et enzym, hvilket muliggør kemoenzymatiske kaskade-reaktioner i én pot.


I afhandlingens kapitel 2 opsummerer jeg de vigtigste resultater og diskuterer de potentielle perspektiver af min forskning.