Los antibióticos a base de penicilina contienen un ciclo de hidrocarburos de cinco miembros, incorporando adicionalmente un átomo de azufre y nitrógeno. Nadine Zumbrägel, estudiante de doctorado en la Cátedra de Química Orgánica I de la Universidad de Bielefeld, ha logrado sintetizar selectivamente esta importante subestructura con diferentes residuos en este ciclo utilizando un método biotecnológico. El diseño específico de tales estructuras ahora permite la preparación de bibliotecas de sustancias de los llamados heterociclos, que en el futuro podrá ser utilizado por la industria farmacéutica para encontrar nuevas sustancias activas. Además de los químicos de Bielefeld, También participaron en los estudios dos científicos de la Ruhr-University Bochum. Los investigadores presentan sus hallazgos hoy (16 de mayo de 2018) en la reconocida revista Comunicaciones de la naturaleza con Zumbrägel como primer autor y el profesor Dr. Harald Gröger, jefe de la Cátedra de Química Orgánica I, como autor correspondiente.

Recientemente, en Noticias de química e ingeniería , Los antibióticos se describieron como una de las nueve formas en que la química ha cambiado el mundo. De particular importancia son las penicilinas, que a su vez contienen un ciclo de hidrocarburos de cinco miembros con un átomo de azufre y un átomo de nitrógeno incorporado adicionalmente al mismo. La producción selectiva de esta importante subestructura, equipado de forma flexible con diferentes sustituyentes en el ciclo, a su vez, representa una biblioteca de sustancias para encontrar nuevas estructuras de fármacos. En principio, el acceso a estas estructuras cíclicas es concebible desde sustratos de fácil acceso, las llamadas 3-tiazolinas. La estructura cíclica ya está preformada y "sólo" un doble enlace debe convertirse en un enlace sencillo mediante una reducción.

Aunque estas 3-tiazolinas se conocen desde hace décadas y se informaron por primera vez en la década de 1950, esta conversión resultó sintéticamente difícil. Esto es notable ya que generalmente se dispone de un gran número de métodos químicos para el tipo de reacción de reducción y ya se han utilizado con éxito para numerosos propósitos de síntesis. Hay varias razones por las que tales procesos "químicos clásicos" resultaron ineficaces en la producción de esta clase de compuestos de ciclos de cinco miembros con átomos de azufre y nitrógeno incorporados:por ejemplo, Los procesos fuertemente reductores conducen a una apertura de anillo no deseada y en otros procesos de reducción con catalizadores metálicos, el azufre contenido en el ciclo actúa como un veneno catalizador. La selectividad requerida también resultó ser un obstáculo insuperable:durante la reducción, se pueden formar compuestos quirales, que se comportan como imagen e imagen especular. Para las sustancias activas, es importante que solo una de estas formas, los llamados enantiómeros, está presente. Los métodos anteriores pudieron preservar el anillo en el mejor de los casos, pero resultó en selectividades extremadamente bajas.

En su tesis doctoral financiada por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF) como parte de la "Biotecnología 2020+, Programa de financiación de Próxima Generación de Procesos Biotecnológicos, Nadine Zumbrägel ha logrado por primera vez reducir las 3-tiazolinas sin reacciones secundarias a los compuestos diana deseados de una manera altamente selectiva. formando un solo enantiómero. Para este propósito, usó representantes de la clase de enzimas de las llamadas reductasas de imina como biocatalizadores. Zumbrägel explica:"La industria farmacéutica exige cada vez más métodos de síntesis altamente enantioselectivos. Una posibilidad es el uso de enzimas como catalizadores adecuados, que son moléculas que aceleran la reacción en procesos químicos ".

Los investigadores también lograron extender el método de reducción a otros heterociclos que contienen azufre, desarrollando así una plataforma tecnológica. Los científicos ya han demostrado la aplicabilidad de este método de reducción a escala de laboratorio ampliada. "Esta exitosa combinación de biotecnología y química heterocíclica es una prueba más del potencial de las enzimas como catalizadores naturales para su uso en la preparación de productos químicos, "dice Gröger, quien ha estado realizando investigaciones sobre procesos biocatalíticos para la síntesis de químicos industriales con su grupo de investigación en la Universidad de Bielefeld desde 2011. En cooperación con el profesor Dr. Stefan Huber de la Ruhr-University Bochum, que realizó cálculos de mecánica cuántica, También fue posible reproducir racionalmente las observaciones experimentales con la ayuda de la química informática. Dr. Christian Merten, igualmente de la Ruhr-University Bochum, también combinó cálculos de mecánica cuántica con mediciones de VCD (dicroísmo circular vibratorio), lo que permitió la determinación de las propiedades estereoquímicas del compuesto objetivo.