NSERC-DFG SUSTAIN: SysDevOx - Systematische Entwicklung neuer oxidativer Biokatalysatoren für die nachhaltige Produktion von Wirkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr. Jakob Franke
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 534068048

Obwohl viele Arzneimittel nach wie vor von Naturstoffen abgeleitet sind, sind zur Herstellung von klinisch relevanten Wirkstoffen oft noch synthetische Modifikationen, die sogenannte Semisynthese, notwendig. Während biologische Systeme Metabolite nachhaltig und unter milden Bedingungen produzieren, werden bei der Semisynthese häufig giftige Chemikalien, teure Katalysatoren und/oder harsche, nicht nachhaltige Bedingungen eingesetzt. Enzyme könnten eine nachhaltige Alternative für die selektive Modifizierung komplexer Naturstoffe bieten. Oxidative Enzyme wie Cytochrom-P450-Monooxygenasen sind in dieser Hinsicht besonders relevant, da sie ansonsten unreaktive C-H-Bindungen aktivieren können. Mikrobielle Cytochrom-P450-Monooxygenasen wurden bereits für chemoenzymatische Synthesen eingesetzt. Das biotechnologische Potenzial von Cytochrom-P450-Monooxygenasen aus Pflanzen dagegen wurde bisher drastisch vernachlässigt. Dies steht im Widerspruch zu der Tatsache, dass Cytochrom-P450-Monooxygenasen eine Schlüsselrolle im pflanzlichen Stoffwechsel spielen und daher für die Oxidation pflanzlicher Metabolite evolutionär prädestiniert sind. Mit diesem Projekt wollen wir diese Lücke schließen und pflanzliche Cytochrom-P450-Monooxygenasen als oxidative Biokatalysatoren für die nachhaltige Funktionalisierung von privilegierten Alkaloid-Pharmakophoren entwickeln. Konkret werden wir mit einer gezielten Screening-Kampagne pflanzliche Cytochrom-P450-Monooxygenasen identifizieren, die pflanzliche Alkaloide oxidieren, die entweder bereits als Arzneimittel verwendet werden oder ein hohes Potenzial für die Wirkstoffentwicklung aufweisen. Mit Hilfe eines neuen Sequenz-Mining-Ansatzes mit Sequenzähnlichkeitsnetzwerken und Orthogruppen-Inferenz-Analysen werden wir eine Bibliothek von ca. 200 Cytochrom-P450-Monooxygenasen rational auswählen und gegen ein Panel von 30 kommerziell erhältlichen Alkaloiden aus Pflanzen testen. Der erforderliche Durchsatz wird durch transiente Koexpression von bis zu 25 Cytochrom-P450-Monooxygenase-Genen gleichzeitig im Pflanzenwirt Nicotiana benthamiana mit anschließender Dereplikation erreicht. Positive Treffer werden in Bäckerhefe verifiziert. Biotransformationen im großen Maßstab (10-100 mg) werden zeigen, dass die neu gefundenen Biokatalysatoren für biotechnologische Anwendungen relevant sind, sowie eine vollständige Strukturaufklärung der oxidierten Produkte ermöglichen. Dieses interdisziplinäre Kooperationsprojekt zwischen einer deutschen (Franke, Leibniz Universität Hannover) und einer kanadischen Gruppe (Dang, University of British Columbia) baut auf komplementärer Expertise auf (Franke: Sequenzähnlichkeitsnetzwerke, Strukturaufklärung; Dang: Alkaloid-Biosynthese, oxidative Enzyme, Orthogruppen-Inferenz-Analysen). Die in diesem Projekt entwickelten neuartigen Biokatalysatoren werden damit den Übergang zu nachhaltigen Produktionsverfahren für medizinisch relevante Alkaloid-Derivate erleichtern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Kanada
• Partnerorganisation: Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada
• Kooperationspartnerin: Dr. Thu-Thuy Dang