In vitro-Biosynthese von Hydroxamat- und β-Lakton-haltigen Pharmakophoren natürlicher Proteasinhibitoren

• Antragsteller: Professor Dr. Leonard Kaysser
• Fachliche Zuordnung: Pharmazie ; Biochemie ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419817603

Niedermolekulare Proteaseinhibitoren aus natürlichen Quellen haben zur Entwicklung einer Reihe von Arzneistoffen beigetragen. In vielen Fällen sind die hemmenden Eigenschaften solcher Naturstoffe durch die Bindung spezifischer struktureller Gruppen, sogenannter Warheads, in das katalytische Zentrum der Zielenzyme vermittelt. Im vorliegenden Forschungsprogramm wollen wir für zwei gut untersuchte Wirkstoffklassen diese Warheads durch in vitro Biosynthese herstellen. Dabei handelt es sich um hydroxamathaltigen Metalloproteaseinhibitoren und um ß-laktonhaltigen Proteasominhibitoren. Durch DFG-finanzierte Arbeiten konnten wir kürzlich herausfinden, dass die Grundstruktur des N-Hydroxy-2-pentylsuccinamsäure Warheads von Actinonin und Matlystatin aus einer ungewöhnlichen Variation des Ethylmalonyl-CoA-Wegs stammt. Dabei kommt es zu einer reduktiven Carboxylierung von Octenoyl-CoA mit folgender Epimerisierung und 1,2-Umlagerung des entstehenden Hexylmalonyl-CoAs. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass die 2-Carboxyl-3-alkyl-ß-lakton-Gruppe von Belactosin und Cystargolid aus einem Leucinbiosynthese-ähnlichen Mechanismus hervorgeht. Der Aldolreaktion einer Alpha-Ketosäure mit Acetyl-CoA folgt eine stereospezifische Isomerisierung des entstehenden 2-Alkylmalat-Produkts zum 3-Alkylmalat. Beide entdeckten Biosynthesewege stellen damit einzigartige Adaptionen zentraler Prozesse des Primärstoffwechsels an den Sekundärmetabolismus dar und können als Grundlage für synthetische Biologie-Experimente dienen. Im vorliegenden Projekt wollen wir die einzelnen Reaktionsschritte zur Bildung N-Hydroxy-2-pentylsuccinamsäure Warheads biochemische nachvollziehen. Ein besonderes Augenmerk gilt der 1,2-Umlagerung von (2R)-Hexylmalonyl-CoA durch mechanistische und proteinkristallographische Studien. Wir möchten die Schlüsselreaktionen in der Biosynthese des 2-Carboxyl-3-alkyl-ß-lakton-Kohlenstoffgerüsts auf ihre Substratflexibilität und damit auf ihr biotechnologisches Potential untersuchen. Darüber hinaus wollen wir die Enzyme die für die Bildung des Laktonrings verantwortlich sind identifizieren.Das vorgeschlagene Projekt wird uns detaillierte Erkenntnisse über die mechanistische Basis zweier einzigartiger Biosynthesewege des bakteriellen Sekundärstoffwechsels geben. Dies wird uns helfen, um durch Methoden der synthetischen Biologie in Zukunft nicht-natürliche maßgeschneiderte Derivate herstellen zu können und die genombasierte Wirkstoffsuche neuer Proteaseinhibitoren zu erleichtern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen