DNA-based catalysis and micellar catalysis Rosati, Fiora

University of Groningen
DNA-based catalysis and micellar catalysis
Rosati, Fiora
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Publication date:
2011
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Rosati, F. (2011). DNA-based catalysis and micellar catalysis Groningen: s.n.
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Sommario
La molecola di DNA è deputata a conservare le informazioni genetiche necessarie per lo sviluppo ed il funzionamento degli organismi viventi. Poiché contiene le istruzioni per la costruzione delle proteine e delle molecole di RNA, importanti costituenti delle cellule, é spesso paragonata ad uno “stampo”. La molecola di DNA é un polimero costituito da unità definite nucleotidi (deossiribonucleotidi). Ciascun nucleotide comprende come componenti un grup‐
po fosfato, uno zucchero e una base azotata legata, mediante un legame N‐
glicosidico, ad ogni zucchero. Le basi azotate sono: adenina (A), citosina (C), guanina (G), e timina (T). I filamenti che ne derivano sono orientati l’ uno rispetto all’ altro in modo antiparallelo (Figura 1) seguendo le regole dell’ appaiamento complementare, definite da Watson‐Crick, secondo cui la guanina si lega alla cito‐
sina e l’adenina alla timina per formare una doppia elica. Di recente, il ruolo del DNA è stato concettualmente esteso rispetto a quello di magazzino dell’informazione genetica, portando allo sviluppo di differenti filoni di ricerca (bioinformatica, nanotecnologia ed ingegneria genetica) che considerano la molecola di DNA come un “dispositivo” chimico o come un veicolo per la costruzione di strutture complesse . Figura 1. Rappresentazione della doppia elica di DNA e struttura delle differenti basi. Inoltre la molecola di DNA ha mostrato grandi potenzialità anche in sintesi ed in catalisi. Data la sua chiralità intrinseca, può esser utilizzata come fonte di chiralità Samenvatting da trasferire in una reazione chimica causando un eccesso di uno dei due enantiomeri del prodotto. Questa idea é alla base del concetto di catalisi asimmetrica basata sul DNA che rappresenta il principale argomento di questa tesi. Per creare un catalizzatore basato sul DNA, é stato seguito il cosiddetto approccio sopramolecolare, comunemente usato per assemblare metallo‐enzimi artificiali. Questa strategia sfrutta le interazioni non‐covalenti fra un complesso metallico achirale e una biomacromolecola ‘ospitante’. Nel Capitolo 1 viene introdotto il concetto di metallo‐enzimi artificiali. In base ai più recenti sviluppi, gli strumenti per la creazione e ottimizzazione di catalizzatori ibridi sono riassunti; inoltre, sono discussi i vantaggi di questo approccio rispetto ai convenzionali metodi usati in catalisi. Il concetto di metallo‐enzimi artificiali ha trovato una delle sue più riuscite applicazioni nella catalisi asimmetrica basata sul DNA. Questo argomento viene trattato nei Capitoli 2‐4. Sono state sviluppate due generazioni di catalizzatori basati sul DNA che si differenziano per il tipo di ligando usato (Figura 2). In questa ricerca si è focalizzata l’attenzione sui catalizzatori basti sul DNA a partire dai ligandi di prima generazione (che comprendono un sito capace di legare il metallo connesso, attraverso uno spaziatore, ad un dominio in grado di interagire con il DNA (9‐aminoacridina)). Nel Capitolo 2, viene effettuato uno studio cinetico di questa classe di catalizzatori nella reazione di Diels‐Alder catalizzata dal rame. Sono state individuate le principali caratteristiche del catalizzatore necessarie per ottenere buona attività e selettività. Queste sono: la presenza di un connettore corto fra il sito per il legame al metallo e il dominio che permette l’ interazione con il DNA, un anello piridinico ed un sostituente metil‐arilico (R) sull’ azoto. E’ stato quindi definito l’effetto del DNA sulla struttura del complesso col rame; inoltre il ruolo del DNA in catalisi sembra limitato a quello di fonte di chiralità dal momento che non é stata osservata alcuna accelerazione. Infine, e’ stata investigata la dipendenza della enantioselettivita’ dalla sequenza del DNA e si e’ osservato che, al fine di ottenere alte enantioselettivita’, l’oligonucleotide deve contenere un elevata percentuale di G‐C nucleotidi. Il campo di applicazione dei catalizzatori che utilizzano il DNA è stato esteso al di là della reazione di Diels‐Alder: eccellenti enantioselettivitita’ e reattività sono state ottenute in diverse reazioni di formazione di legami C‐C metallo‐catalizzate in acqua. Recentemente, e’ stata scoperta una nuova reazione per la quale non esiste 200 Sommario
equivalente nella catalisi convenzionale: la syn‐idratazione degli enoni rame catalizzata promossa dalla prima generazione di catalizzatori a base di DNA. Figura 2. Concetto della catalisi asimmetrica basata sul DNA. Nel Capitolo 3 si tratta dell'ottimizzazione del design del catalizzatore basato sul DNA utilizzando ligandi di prima generazione e di alcune linee guida per la progettazione del ligando stesso. La prestazione dei catalizzatori è stata valutata sia nella reazione di idratazione sia nella reazione di Diels‐Alder (Figura 3): l'otti‐
mizzazione del design del catalizzatore ha portato all’ottenimento di una enatioselettivita’ dell’83% nella rezione di idratazione, e del 75% nella reazione di Diels Alder rispettivamente. Il capitolo 4 descrive uno studio cinetico e uno studio sulla dipendenza dell’enantioselectivita’ dalla sequenza per la reazione di idratazione di enoni basata su DNA e rame catalizzata, usando la stessa classe di catalizzatori. In base alla determinazione dell’effetto isotopico e dell’ ‘inventario protonico’ (che mostra che un solo protone e’ coinvolto nel passaggio determinante la velocita’ della reazione), e’ stato suggerito un meccanismo concertato. Esperimenti di labeling in acqua deuterata hanno mostrato la diastereoselettivita’ syn della reazione che puo’ essere dovuta al rame o al substrato coinvolto nella reazione ma non alla presenza del DNA. Per migliorare l’enantioselettivita’ osservata, e’ stato mostrato che sequenze ricche di basi consecutive A/T o contenenti i segmenti centrali ATAT/TATA, sono responsabili per la enantioselettivita’ piu’ alta in D2O (fino ad 82%). Da uno studio di dicrosimo circolare su una piccola serie di oligonucleotidi sintetici sembra che alti valori di ee sono correlati ad una conformazione non‐
201 Samenvatting classica del DNA. In presenza di Cu2+ da solo (in assenza del ligando), entrambi gli enantiomeri del prodotto possono esser ottenuti in dipendenza della sequenza di DNA. Figura 3. Reazioni rame catalizzate in acqua usando catalizzatori basati su ligandi di prima generazione: Diels‐Alder e syn‐idratazione di enoni. Nella seconda parte della tesi, l’attenzione e’ rivolta al concetto di catalisi micellare. Nel Capitolo 5 e’ stato riportato che la reazione di Friedel‐Crafts in acqua catalizzata dal rame e’ enormemente accelerata in presenza di un surfattante anionico (SDS) (Figura 4). I tempi di reazione estremamente brevi, il facile work‐up e le buone rese in prodotto rappresentano i principali vantaggi di questo approccio. Figura 4. Reazione di Friedel‐Crafts catalizzata dal rame in acqua in presenza di aggregati micellari formati da SDS. Nell’ultimo capitolo sperimentale e’ stato ideato un nuovo sistema micellare basato sul DNA al fine di combinare le eccellenti enantioselettivita’ ottenute usando i catalizzatori basati sul DNA con le accelerazioni osservate per diverse reazioni catalizzate da metalli in acqua in presenza di surfattanti. 202 Sommario
Figura 5. Controllo della reattivita’ chimica in dipendenza del posizionamento del catalizzatore rispetto alla superficie di un aggregato micellare. a) b) Dal momento che questo approccio non si e’ rivelato vincente, abbiamo proposto di usare il DNA in un nuovo design (Figura 5) dove esso agirebbe come strumento per controllare la posizione del catalizzatore rispetto alla superfice di un aggregato micellare, quindi modulando la sua attivita’. Le reazioni di Diels‐Alder e di Friedel‐Crafts, catalizzate dal rame, in acqua sono state investigate: solo nel primo caso sono state rilevate significanti differenze in reattivita’ fra i due designs (catalizzatore che punta verso o lontano dalla superficie micellare; Figura 5 a, b). In conclusione, in questa tesi la possibilita’ di usare il DNA come 1) fonte chirale per la possibile costruzione di catalizzatori che permettano di ottenere eccellenti selettivita ed enantioselettivita’ in diverse reazioni catalizzate da metalli in acqua e 2) come strumento per controllare la geometria e la posizione del catalizzatore nello spazio, e’ stata esplorata. I risultati esposti rappresentano una ulteriore conferma delle grandi potenzialita’ della molecola di DNA in diverse aree di ricerca, dalla chimica sopramolecolare all’ingegneria chimica alla nanotecnologia. 203 Samenvatting 204