Development of novel biocatalysts for the chemo-enzymatic total synthesis of complex antiinvective peptide natural products and of analogs with optimized biological activity

• Applicant: Professor Dr. Tobias A. M. Gulder
• Subject Area: Biological and Biomimetic Chemistry
• Term: from 2011 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 191312969

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Naturstoffe sind faszinierende Blaupausen für die Entwicklung kleiner Moleküle als Wirkstoffe. Aufgrund der strukturellen Komplexität von Naturstoffen ist ihre Herstellung und Modifikation eine große Herausforderung, die zu vielen Innovationen in der synthetischen organischen Chemie geführt hat. Im Rahmen dieses Projekts wollten wir daher neue biokatalytische Ansätze für den Zugang zu komplexen mikrobiellen Metaboliten unter Verwendung biosynthetischer Enzyme in späten oxidativen Modifikationen entwickeln. Die anfänglichen Projektziele wurden durch die Entwicklung effizienter Synthesewege zu linearen Vorläuferpeptiden von Biarylhaltigen Peptiden (BCP) und die rekombinante Produktion aller erforderlichen Biokatalysatoren (Cytochrom P450- Kopplungsenzyme, Elektronen-Shuttling-Enzyme, Cofaktor-Regenerationssysteme) erreicht. Letztendlich führte das Projekt zur ersten Carrier-Protein-freien, chemo-enzymatischen Totalsynthese einer Klasse von BCPs, den antibiotischen Arylomycinen. Dies ist ein entscheidender Fortschritt bei der Anwendung dieser natürlichen Kreuzkupplungsprinzipien in der Biokatalyse. Das Projekt wurde außerdem signifikant auf andere enzymkatalysierte oxidative Prozesse ausgeweitet, die strukturell herausfordernde kleine Moleküle liefern. Dies beinhaltete die Aufklärung der oxidativen Kreuzkupplungschemie in der Ambigol-Biosynthese, die biokatalytische Totalsynthese der Sorbicillinoid-Naturstoffklasse unter Verwendung der FAD-abhängigen Monooxygenase SorbC und die Entdeckung einer beispiellosen, versteckten Promiskuität und Bimodalität der α-Ketoglutarat-abhängigen Dioxygenase AsqJ. Das Projekt lieferte auch eine neue synthetisch-biologische Methode zur optimierten Klonierung, der Rekonstruktion und rekombinanten Expression von Naturstoff-Biosynthesewegen - Direct Pathway Cloning (DiPaC). Diese Methode hat im Verlauf dieses Programms nicht nur zur Schaffung robuster Expressionsplattformen für bekannte und neue Naturstoffe geführt, sondern wird nun auch in großem Umfang auf interessante neue Biosyntheseprobleme in unserem Labor und darüber hinaus genutzt.

Publications

• Metagenomic natural product discovery in lichen provides evidence for a family of biosynthetic pathways in diverse symbioses; Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2013, 110, E3129-E3137
  A. Kampa, A.N. Gagunashvili, T. A. M. Gulder, C. Daolio, M. Godejohann, V. Miao, J. Piel
  
• Heterologous Reconstitution of Ikarugamycin Biosynthesis in E. coli; Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 3011-3014
  J. Antosch, F. Schaefers, T. A. M. Gulder
  
• The Biocatalytic Repertoire of Natural Biaryl Formation; Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 8286-8293
  H. Aldemir, R. Richarz, T.A.M. Gulder
  
• Stereoselective Total Synthesis of Bisorbicillinoid Natural Products by Enzymatic Oxidative Dearomatization/Dimerization; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 12888-12891
  A. Sib, T. A. M. Gulder
  
• Chemo-enzymatic Total Synthesis of Oxosorbicillinol, Sorrentanone, Rezishanones B and C, Sorbicatechol A, Bisvertinolone, and (+)-Epoxysorbicillinol; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 14650-14653
  A. Sib, T. A. M. Gulder
  
• Direct Pathway Cloning (DiPaC) to unlock natural product biosynthetic potential; Metab. Eng. 2018, 47, 334-345
  C. Greunke, E. R. Duell, P. M. D'Agostino, A. Glöckle, K. Lamm, T. A. M. Gulder
  
• Direct Pathway Cloning Combined with Sequence- and Ligation-Independent Cloning for Fast Biosynthetic Gene Cluster Refactoring and Heterologous Expression; ACS Synth. Biol. 2018, 7, 1702-1708
  P. M. D'Agostino, T. A. M. Gulder
  
• Identification, cloning, expression and functional interrogation of the biosynthetic pathway of the polychlorinated triphenyls ambigol A–C from Fischerella ambigua 108b; Org. Chem. Front. 2020, 7, 3193-3201
  E. R. Duell, T. M. Milzarek, M. E. Omari, L. J. Linares-Otoya, T. F. Schäberle, G. M. König, T. A. M. Gulder
  
• Carrier Protein-Free Chemo-Enzymatic Synthesis of Arylomycin A2 and Structural Characterization of the Cytochrome P450 AryC; ChemRxiv. Cambridge: Cambridge Open Engage; 2021
  H. Aldemir, S. Shu, F. Schaefers, H. Hong, R. Richarz, S. Harteis, M. Einsiedler, T. M. Milzarek, S. Schneider, T. A. M. Gulder
  
• Fungal Dioxygenase AsqJ Is Promiscuous and Bimodal: Substrate-Directed Formation of Quinolones versus Quinazolinones; Angew. Chem. Int. Ed. 2021
  M. Einsiedler, C. S. Jamieson, M. A. Maskeri, K. N. Houk, T. A. M. Gulder