Les antibiotiques à base de pénicilline contiennent un cycle hydrocarboné à cinq chaînons, incorporant en outre un atome de soufre et un atome d'azote. Nadine Zumbrägel, doctorant à la Chaire de Chimie Organique I de l'Université de Bielefeld, a réussi à synthétiser sélectivement cette importante sous-structure avec différents résidus sur ce cycle en utilisant une méthode biotechnologique. La conception ciblée de telles structures permet désormais la préparation de bibliothèques de substances de ce qu'on appelle des hétérocycles, qui pourra à l'avenir être utilisé par l'industrie pharmaceutique pour trouver de nouvelles substances actives. Outre les chimistes de Bielefeld, deux scientifiques de la Ruhr-University Bochum ont également participé aux études. Les chercheurs présentent leurs résultats aujourd'hui (16 mai 2018) dans la célèbre revue Communication Nature avec Zumbrägel comme premier auteur et le professeur Dr. Harald Gröger, responsable de la Chaire de Chimie Organique I, comme auteur correspondant.

Récemment, dans Nouvelles de la chimie et de l'ingénierie , les antibiotiques ont été décrits comme l'une des neuf façons dont la chimie a changé le monde. Les pénicillines sont particulièrement importantes, qui à leur tour contiennent un cycle hydrocarboné à cinq chaînons avec un atome de soufre et d'azote en plus incorporés à l'intérieur. La production sélective de cette importante sous-structure, équipé de manière flexible de différents substituants sur le cycle, représente à son tour une bibliothèque de substances pour trouver de nouvelles structures médicamenteuses. En principe, l'accès à ces structures cycliques est envisageable à partir de substrats facilement accessibles, ce que l'on appelle les 3-thiazolines. La structure cyclique est déjà préformée et "seulement" une double liaison doit être convertie en une simple liaison au moyen d'une réduction.

Bien que ces 3-thiazolines soient connues depuis des décennies et aient été signalées pour la première fois dans les années 1950, cette conversion s'est avérée être synthétiquement difficile. Ceci est remarquable car un grand nombre de méthodes chimiques sont généralement disponibles pour le type de réaction de réduction et ont déjà été utilisées avec succès à de nombreuses fins de synthèse. Il y a plusieurs raisons pour lesquelles de tels procédés "chimiques classiques" se sont avérés inefficaces dans la production de cette classe de composés de cycles à cinq chaînons avec des atomes de soufre et d'azote incorporés :par exemple, les processus fortement réducteurs conduisent à une ouverture de cycle indésirable et dans d'autres processus de réduction avec des catalyseurs métalliques, le soufre contenu dans le cycle agit comme un poison catalytique. La sélectivité requise s'est également avérée être un obstacle insurmontable :lors de la réduction, des composés chiraux peuvent se former, qui se comportent comme une image et une image miroir. Pour les substances actives, il est important qu'une seule de ces formes, dits énantiomères, est présent. Les méthodes précédentes étaient capables de préserver la bague dans le meilleur des cas, mais n'a abouti qu'à des sélectivités extrêmement faibles.

Dans sa thèse de doctorat financée par le ministère fédéral allemand de l'Éducation et de la Recherche (BMBF) dans le cadre du "Biotechnologie 2020+, programme de financement « Next Generation of Biotechnological Processes », Nadine Zumbrägel a maintenant réussi pour la première fois à réduire les 3-thiazolines sans réactions secondaires aux composés cibles souhaités d'une manière hautement sélective, ne formant qu'un seul énantiomère. Dans ce but, elle a utilisé des représentants de la classe d'enzymes des imine réductases comme biocatalyseurs. Zumbrägel explique :« L'industrie pharmaceutique exige de plus en plus des méthodes de synthèse hautement énantiosélectives. Une possibilité est l'utilisation d'enzymes comme catalyseurs appropriés, qui sont des molécules accélérant la réaction dans les processus chimiques.

Les chercheurs ont également réussi à étendre la méthode de réduction à d'autres hétérocycles soufrés, développant ainsi une plate-forme technologique. L'applicabilité de cette méthode de réduction a également déjà été démontrée par les scientifiques à une échelle de laboratoire élargie. "Cette combinaison réussie de biotechnologie et de chimie hétérocyclique est une preuve supplémentaire du potentiel des enzymes en tant que catalyseurs naturels pour une utilisation dans la préparation de produits chimiques, " dit Gröger, qui mène des recherches sur les procédés biocatalytiques pour la synthèse de produits chimiques industriels avec son groupe de recherche à l'Université de Bielefeld depuis 2011. En coopération avec le professeur Dr. Stefan Huber de l'Université de la Ruhr à Bochum, qui a effectué des calculs de mécanique quantique, il était également possible de reproduire rationnellement les observations expérimentales à l'aide de la chimie informatique. Dr Christian Merten, également de la Ruhr-Université de Bochum, également des calculs de mécanique quantique combinés avec des mesures VCD (Vibrational Circular Dichroism), qui a permis la détermination des propriétés stéréochimiques du composé cible.