Gli antibiotici a base di penicillina contengono un ciclo di idrocarburi a cinque membri, incorporando inoltre un atomo di zolfo e di azoto. Nadine Zumbrägel, dottorando presso la Cattedra di Chimica Organica I dell'Università di Bielefeld, è riuscita a sintetizzare selettivamente questa importante sottostruttura con diversi residui su questo ciclo utilizzando un metodo biotecnologico. La progettazione mirata di tali strutture consente ora la preparazione di librerie di sostanze di tali cosiddetti eterocicli, che in futuro potrà essere utilizzato dall'industria farmaceutica per trovare nuove sostanze attive. Oltre ai chimici di Bielefeld, Negli studi sono stati coinvolti anche due scienziati della Ruhr-University Bochum. I ricercatori presentano oggi i loro risultati (16 maggio 2018) nella rinomata rivista Comunicazioni sulla natura con Zumbrägel come primo autore e il professor Dr. Harald Gröger, capo della cattedra di chimica organica I, come autore corrispondente.

Recentemente, in Notizie chimiche e di ingegneria , gli antibiotici sono stati descritti come uno dei nove modi in cui la chimica ha cambiato il mondo. Di particolare importanza sono le penicilline, che a loro volta contengono un ciclo idrocarburico a cinque membri con un atomo di zolfo e un atomo di azoto incorporati in esso. La produzione selettiva di questa importante sottostruttura, dotato in modo flessibile di diversi sostituenti sul ciclo, a sua volta rappresenta una libreria di sostanze per trovare nuove strutture di farmaci. In linea di principio, l'accesso a queste strutture cicliche è concepibile da substrati facilmente accessibili, le cosiddette 3-tiazoline. La struttura ciclica è già preformata e "solo" un doppio legame deve essere convertito in un unico legame mediante una riduzione.

Sebbene queste 3-tiazoline siano note da decenni e siano state riportate per la prima volta negli anni '50, questa conversione si è rivelata sinteticamente difficile. Ciò è notevole poiché un gran numero di metodi chimici sono generalmente disponibili per il tipo di reazione di riduzione e sono già stati utilizzati con successo per numerosi scopi di sintesi. Ci sono diverse ragioni per cui tali processi "chimici classici" si sono rivelati inefficaci nella produzione di questa classe di composti di cicli a cinque membri con incorporati atomi di zolfo e di azoto:ad esempio, processi fortemente riducenti portano all'apertura indesiderata dell'anello e in altri processi di riduzione con catalizzatori metallici, lo zolfo contenuto nel ciclo agisce come un veleno catalizzatore. Anche la selettività richiesta si è rivelata un ostacolo insormontabile:in fase di riduzione, si possono formare composti chirali, che si comportano come immagine e immagine speculare. Per i principi attivi è importante che solo una di queste forme, cosiddetti enantiomeri, è presente. I metodi precedenti erano in grado di preservare l'anello nel migliore dei casi, ma ha portato solo a selettività estremamente basse.

Nella sua tesi di dottorato finanziata dal Ministero federale tedesco dell'istruzione e della ricerca (BMBF) nell'ambito del programma "Biotecnologie 2020+, Programma di finanziamento Next Generation of Biotechnological Processes", Nadine Zumbrägel è ora riuscita per la prima volta a ridurre le 3-tiazoline senza reazioni collaterali ai composti target desiderati in modo altamente selettivo, formando un solo enantiomero. Per questo scopo, ha usato rappresentanti della classe enzimatica delle cosiddette immine reduttasi come biocatalizzatori. Zumbrägel spiega:"L'industria farmaceutica richiede sempre più metodi di sintesi altamente enantioselettivi. Una possibilità è l'uso di enzimi come catalizzatori adatti, che sono molecole che accelerano la reazione nei processi chimici."

I ricercatori sono anche riusciti ad estendere il metodo di riduzione ad altri eterocicli contenenti zolfo, sviluppando così una piattaforma tecnologica. L'applicabilità di questo metodo di riduzione è già stata dimostrata anche dagli scienziati su una scala di laboratorio allargata. "Questa riuscita combinazione di biotecnologia e chimica eterociclica è un'ulteriore prova del potenziale degli enzimi come catalizzatori naturali da utilizzare nella preparazione di sostanze chimiche, "dice Gröger, che dal 2011 conduce ricerche sui processi biocatalitici per la sintesi di prodotti chimici industriali con il suo gruppo di ricerca presso l'Università di Bielefeld. In collaborazione con il professor Dr. Stefan Huber della Ruhr-University Bochum, che effettuava calcoli di meccanica quantistica, è stato inoltre possibile riprodurre razionalmente le osservazioni sperimentali con l'ausilio della chimica del computer. Dott. Christian Merten, allo stesso modo dalla Ruhr-University Bochum, anche combinato calcoli di meccanica quantistica con misurazioni VCD (Vibrational Circular Dichroism), che ha consentito la determinazione delle proprietà stereochimiche del composto bersaglio.