Biocatalytic synthesis of [alpha]-Amino ketones and investigations on the biosynthesis of Ephedra Alkaloids : = Biokatalytische Synthese von [alpha]-Aminoketonen und Untersuchungen zur Biosynthese von Ephedra-Alkaloiden

Abstract: α-Amino ketones are structural motifs in a wide range of biologically active natural products and pharmaceutical agents. Methods for the asymmetric synthesis of such functionalities often require multi-step reaction strategies or display only moderate levels of stereoselectivity. Thus, a biocatalytic approach may offer a viable alternative. To gain further insights into enzyme-catalyzed formation of α-amino ketones, the aminoshikimate pathway and the Ephedra alkaloid biosynthetic pathway were studied. Candidate enzymes for α-amino ketone synthesis, transketolase (TK) and α-oxoamine synthase (OAS) were examined regarding their suitability as biocatalysts.
The substrate range of thiamine diphosphate (ThDP)-dependent TK from E. coli towards non-phosphorylated compounds was investigated, and the narrow donor scope was extended with D-fructose. TK has been postulated to catalyze C–C bond cleavage of 3-amino-3-deoxy-D-fructose 6-phosphate (aminoF6P) to 1-deoxy-1-imino-D-erythrose 4-phosphate (iminoE4P) in the aminoshikimate pathway. No conversion of the non-phosphorylated analog 3-amino-3-deoxy-D-fructose was observed with E. coli TK.
Moreover, the acceptor scope was extended with 5-deoxy-D-ribose. TK-catalyzed carboligation of 5-deoxy-D-ribose and β-hydroxypyruvate yielded 7-deoxy-D-sedoheptulose, a rare sugar with antimicrobial and herbicidal properties.
Pyridoxal 5'-phosphate (PLP)-dependent OAS TTHA1582 from Thermus thermophilus HB8 was characterized, and the substrate scope was extended with the aromatic thioester benzoyl-coenzyme A (benzoyl-CoA). Condensation of benzoyl-CoA with glycine or L-alanine gave access to the pharmaceutically relevant α-amino ketones 2-aminoacetophenone and cathinone, respectively. Moreover, by exchange of benzoyl-CoA for a truncated analog, N-acetylcysteamine (NAC) thioester benzoyl-SNAC, it was demonstrated that the CoA moiety is not crucial for conversion with TTHA1582.
Potential involvement of an OAS in the biosynthesis of Ephedra alkaloids was investigated, and a candidate enzyme was identified in Pinellia ternata, a plant used in traditional Chinese medicine. It was shown that PtBioF catalyzes the condensation of benzoyl-CoA and L-alanine, forming (S)-cathinone with high enantiomeric excess (GC-MS analysis after derivatization indicated an ee ≥ 95%). Accordingly, an alternative biosynthetic pathway to Ephedra alkaloids was proposed.
Altogether, the results of this thesis provide a deeper insight into the enzymatic synthesis of α-amino ketones. They contribute to a better understanding of the investigated enzymes and emphasize the considerable biosynthetic potential of the OAS family. Moreover, a previously unknown biocatalytic route to (S)-cathinone was identified, which sheds new light on the central step of Ephedra alkaloid biosynthesis
Abstract: α-Aminoketone sind Strukturmotive in einer Vielzahl von biologisch aktiven Naturstoffen und pharmazeutischen Wirkstoffen. Methoden zur asymmetrischen Synthese dieser Funktionalitäten erfordern oftmals mehrstufige Reaktionsstrategien oder zeigen nur moderate Stereoselektivität. Daher kann ein biokatalytischer Ansatz eine sinnvolle Alternative bieten. Um einen tieferen Einblick in die enzymkatalysierte Bildung von α-Aminoketonen zu gewinnen, wurden der Aminoshikimat-Weg und der Biosyntheseweg der Ephedra-Alkaloide betrachtet. Enzymkandidaten für die Synthese von α-Aminoketonen, Transketolase (TK) und α-Oxoaminsynthase (OAS), wurden im Hinblick auf ihre Eignung als Biokatalysatoren untersucht.
Das Substratspektrum des Thiamindiphosphat (ThDP)-abhängigen Enzyms TK gegenüber nicht-phosphorylierten Verbindungen wurde untersucht und das eingeschränkte Donorspektrum um D-Fructose erweitert. Es ist postuliert worden, dass TK die C–C-Bindungsspaltung von 3-Amino-3-desoxy-D-fructose-6-phosphat (AminoF6P) zu 1-Desoxy-1-imino-D-erythrose-4-phosphat (IminoE4P) im Aminoshikimat-Weg katalysiert. Untersuchungen mit E. coli TK zeigten keine Umsetzung des nicht-phosphorylierten Analogons 3-Amino-3-desoxy-D-fructose.
Des Weiteren wurde das Akzeptorspektrum um 5-Desoxy-D-ribose erweitert. TK-katalysierte Carboligation von 5-Desoxy-D-ribose und β-Hydroxypyruvat führte zur Bildung von 7-Desoxy-D-sedoheptulose, einem seltenen Zucker mit antimikrobiellen und herbiziden Eigenschaften.
Die Pyridoxal-5'-phosphat (PLP)-abhängige OAS TTHA1582 aus Thermus thermophilus HB8 wurde charakterisiert und das Substratspektrum wurde um den aromatischen Thioester Benzoyl-Coenzym A (Benzoyl-CoA) erweitert. Kondensation von Benzoyl-CoA mit Glycin oder L-Alanin ermöglichte den Zugang zu den pharmazeutisch relevanten α-Aminoketonen 2-Aminoacetophenon und Cathinon. Weiterhin wurde durch den Austausch von Benzoyl-CoA gegen ein verkürztes Analogon, den N-Acetylcysteamin (NAC)-Thioester Benzoyl-SNAC, gezeigt, dass der CoA-Rest für die Umsetzung mit TTHA1582 nicht essentiell ist.
Die mögliche Beteiligung einer OAS an der Biosynthese von Ephedra-Alkaloiden wurde untersucht und ein Enzymkandidat wurde in Pinellia ternata, einer in der traditionellen Chinesischen Medizin verwendeten Pflanze, identifiziert. Es wurde gezeigt, dass PtBioF die Kondensation von Benzoyl-CoA und L-Alanin katalysiert und (S)-Cathinon mit hohem Enantiomerenüberschuss (GC-MS Analyse nach Derivatisierung deutete auf einen ee ≥ 95% hin) gebildet wird. Daraufhin wurde ein alternativer Biosyntheseweg zu Ephedra-Alkaloiden vorgeschlagen.
Insgesamt bieten die Ergebnisse dieser Arbeit einen tieferen Einblick in die enzymatische Synthese von α-Aminoketonen. Sie tragen zu einem besseren Verständnis der untersuchten Enzyme bei und unterstreichen das beträchtliche biosynthetische Potential der OAS-Familie. Darüber hinaus wurde eine bislang unbekannte biokatalytische Route zu (S)-Cathinon identifiziert, die ein neues Licht auf den zentralen Schritt der Biosynthese von Ephedra-Alkaloiden wirft

Angaben zum Objekt

• Weitere Titel: Biokatalytische Synthese von [alpha]-Aminoketonen und Untersuchungen zur Biosynthese von Ephedra-Alkaloiden
• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Englisch
• Anmerkungen: Universität Freiburg, Dissertation, 2020

Klassifikation und Themen

• Schlagwort: Ephedra ; Ketones ; Alkaloids ; Biosynthesis ; Investigations ; Biokatalyse ; Biosynthese ; Ligasen ; Aminoketone

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2021
• Urheber: Behrens, Anne
• Beteiligte Personen und Organisationen: Müller, Michael ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Chemie und Pharmazie

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/175994
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-1759941
• Rechteinformation: Kein Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 25.03.2025, 13:44 MEZ