Derivatisierung von Polyketiden während ihrer Biosynthese

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Grininger
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie ; Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 528406168

Polyketide sind eine strukturell vielfältige Klasse von Naturstoffen mit verschiedenen Funktionen in therapeutischer und klinischer Anwendung. Beispielsweise wird Erythromycin in der Antibiotikatherapie oder Rapamycin als Immunsuppressivum eingesetzt. Modulare Polyketid-Synthasen (PKSs) gehören zu den größten und komplexesten enzymatischen Synthese-Maschinerien der Natur. Aufgrund ihrer strengen Korrelation von Proteinorganisation und -struktur sind sie außerdem ein spannendes Target der Biotechnologie. Als Prinzip der Co-Linearität bekannt, ist jede chemische Funktionalität eines Polyketids direkt mit einem bestimmten Modul und der darauf befindlichen enzymatischen Funktion verknüpft. Die maßgeschneiderte Synthese von Polyketiden ist somit durch gezielte Modifikationen modularer PKSs möglich. In einem kürzlich publizierten Proof-of-Concept Projekt konnten wir Hybrid-Proteine aus PKS und Fettsäure-Synthase (FAS) für die chemoenzymatische Synthese von fluorierten Makrolactonen und Makroliden nutzen. Die erfolgreiche Synthese beruhte auf der Promiskuität der Transferase aus FAS und einer intrinsischen Substrattoleranz der katalytischen Domänen des PKS-Moduls DEBS M6. Neueste Ergebnisse zeigen nun die Anwendbarkeit solcher FAS/PKS Hybride über das im Proof-of-Concept Ansatz vorgestellte System „DEBS-M6“ hinaus. So konnten wir das Hybriddesign auf andere PKS-Module übertragen, und zeigen, dass ein weiteres PKS-Modul zur Synthese von fluorierten Makrolactonen befähigt ist. Diese Ergebnisse stellen die breite Anwendung von FAS/PKS Hybriden in der Polyketid-Biosynthese in Aussicht. Im vorgestellten Projekt identifizieren wir zwei notwendige Entwicklungen zur breiten Anwendung der Hybride: (1) PKSs akzeptieren disubstituierte Substrate, wie am Beispiel von Fluoromethyl-malonyl-CoA gezeigt. Wir wollen nun PKS-Module so maßschneidern, dass sie neben Fluoromethyl-malonyl-CoA, auch Dimethyl-malonyl- und Spirocyclo-malonyl-CoA als Substrate akzeptieren, wodurch gem-dimethylierte oder spirocyclische Polyketide zugänglich sind. Methylgruppen sind wichtige Modifikationen in der medizinischen Chemie und werden auch als „magic methyl“ bezeichnet. Für Spirocyclo-Motive interessieren wir uns als äquivalente Modifikation zu gem-Dimethylierung. (2) Die MAT-Domäne ist sehr substrattolerant und bietet dadurch herausragende synthetische Möglichkeiten in wenig komplexen Synthesebedingungen. Die breite Anwendung der Hybride beruht nun auf der verbesserten Substratselektivität und hier vor allem auf der Unterdrückung der kompetitiven Beladung mit den natürlichen Substraten Malonyl- und Methylmalonyl-CoA. Im Arbeitspaket 2 sollen Bibliotheken substratspezifischer MAT-Varianten evolviert werden. Im Rahmen dieses Projekts werden mittels der KS und MAT-Varianten 12- und 14-gliedrige modifizierte Makrolactone über chemoenzymatische Synthese hergestellt. Die Perspektive dieses Projekts ist die Anwendung maßgeschneiderter Hybride in mikrobiellen Wirtsorganismen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen