Os antibióticos à base de penicilina contêm um ciclo de hidrocarbonetos de cinco membros, adicionalmente incorporando um átomo de enxofre e um átomo de nitrogênio. Nadine Zumbrägel, aluno de doutorado na cadeira de química orgânica I da Universidade de Bielefeld, conseguiu sintetizar seletivamente esta importante subestrutura com diferentes resíduos neste ciclo usando um método biotecnológico. O projeto direcionado de tais estruturas agora permite a preparação de bibliotecas de substâncias desses chamados heterociclos, que pode no futuro ser usado pela indústria farmacêutica para encontrar novas substâncias ativas. Além dos químicos de Bielefeld, dois cientistas da Ruhr-University Bochum também estiveram envolvidos nos estudos. Os pesquisadores apresentam suas descobertas hoje (16 de maio de 2018) na renomada revista Nature Communications com Zumbrägel como primeiro autor e Professor Dr. Harald Gröger, chefe da cadeira de Química Orgânica I, como autor para correspondência.

Recentemente, no Notícias de Química e Engenharia , os antibióticos foram descritos como uma das nove maneiras pelas quais a química mudou o mundo. De particular importância são as penicilinas, que por sua vez contêm um ciclo de hidrocarboneto de cinco membros com um enxofre e um átomo de nitrogênio adicionalmente incorporados nele. A produção seletiva desta importante subestrutura, equipado de forma flexível com diferentes substituintes no ciclo, por sua vez, representa uma biblioteca de substâncias para encontrar novas estruturas de drogas. Em princípio, o acesso a essas estruturas cíclicas é concebível a partir de substratos facilmente acessíveis, as chamadas 3-tiazolinas. A estrutura cíclica já está pré-formada e "apenas" uma ligação dupla deve ser convertida em uma ligação simples por meio de uma redução.

Embora essas 3-tiazolinas sejam conhecidas há décadas e tenham sido relatadas pela primeira vez na década de 1950, esta conversão provou ser sinteticamente difícil. Isso é notável, uma vez que um grande número de métodos químicos geralmente estão disponíveis para o tipo de reação de redução e já foram usados ​​com sucesso para vários fins de síntese. Existem várias razões pelas quais tais processos "químicos clássicos" se mostraram ineficazes na produção desta classe de compostos de ciclos de cinco membros com átomos de enxofre e nitrogênio incorporados:por exemplo, processos fortemente redutores levam à abertura indesejada do anel e em outros processos de redução com catalisadores de metal, o enxofre contido no ciclo age como um veneno catalisador. A seletividade necessária também provou ser um obstáculo intransponível:durante a redução, compostos quirais podem se formar, que se comportam como imagem e imagem espelhada. Para as substâncias ativas, é importante que apenas uma dessas formas, os chamados enantiômeros, é presente. Os métodos anteriores foram capazes de preservar o anel na melhor das hipóteses, mas resultou apenas em seletividades extremamente baixas.

Em sua tese de doutorado financiada pelo Ministério Federal Alemão de Educação e Pesquisa (BMBF) como parte do programa "Biotecnologia 2020+, Programa de financiamento "Next Generation of Biotechnological Processes", Nadine Zumbrägel agora obteve sucesso pela primeira vez na redução de 3-tiazolinas sem reações colaterais aos compostos alvo desejados de uma maneira altamente seletiva, formando apenas um enantiômero. Para este propósito, ela usou representantes da classe de enzimas das chamadas iminas redutases como biocatalisadores. Zumbrägel explica:"A indústria farmacêutica está cada vez mais exigindo métodos de síntese altamente enantiosseletivos. Uma possibilidade é o uso de enzimas como catalisadores adequados, que são moléculas de aceleração de reações em processos químicos. "

Os pesquisadores também conseguiram estender o método de redução a outros heterociclos contendo enxofre, desenvolvendo assim uma tecnologia de plataforma. A aplicabilidade desse método de redução também já foi demonstrada pelos cientistas em escala laboratorial ampliada. "Esta combinação bem-sucedida de biotecnologia e química heterocíclica é mais uma prova do potencial das enzimas como catalisadores naturais para uso na preparação de produtos químicos, "diz Gröger, que tem conduzido pesquisas sobre processos biocatalíticos para a síntese de produtos químicos industriais com seu grupo de pesquisa na Bielefeld University desde 2011. Em cooperação com o Professor Dr. Stefan Huber da Ruhr-University Bochum, que realizou cálculos de mecânica quântica, também foi possível reproduzir racionalmente as observações experimentais com o auxílio da química computacional. Dr. Christian Merten, da mesma forma do Ruhr-University Bochum, também combinou cálculos de mecânica quântica com medições de VCD (dicroísmo circular vibracional), que permitiu a determinação das propriedades estereoquímicas do composto alvo.