How nature directs diversity: investigation of selective phenol-coupling enzymes in ascomycetes

Abstract: Although several strategies for biaryl synthesis are known, selective formation is quite challenging. The aim of this thesis was to investigate biocatalytic systems that are capable of catalyzing selective phenol-coupling reactions in filamentous fungi.
In the biosynthesis of dimeric α- and γ-naphthopyrones, the phenol-coupling enzymes were found to belong to the laccase family. Textbook knowledge dictates that laccases are non-selective phenol oxidases. In collaboration with L. Fürtges, this paradigm was challenged using the phenol-coupling laccase VirL as an example. The dimerization of semi-vioxanthin yielded pigmentosin A, and thus regioselectivity of the reaction was demonstrated. In addition to that, the investigation of the biosynthesis of ustilaginoidin A revealed another hitherto unknown characteristic of dimerizing laccases: inherent atroposelectivity. In collaboration with S. Obermaier, this feature was illustrated by means of four homologous laccases. While three laccases (AshL, CheL, MytL) were highly P-selective, UstL showed a stereochemical flexibility: depending on the reaction conditions and the enzyme concentration, either the formation of the P- or of the M-atropisomer was preferred.
In the biosynthesis of the binaphthalene sporandol, the dimerizing laccase was found to be accompanied by a fasciclin-domain containing (fas) protein. In general, this type of protein is linked to cell adhesion processes. Within this work, a new function was assigned to them: it was shown that the fas protein SpoF is crucial for the coupling activity of the dimerizing laccase SpoL, as coproduction of both proteins was required for a functional phenol-coupling system. Moreover, the formation of two new binaphthalenes – rufoschweinitzin and alloschweinitzin –using a cytochrome P450 enzyme from Xylaria schweinitzii was presented.
Thus, four different enzyme systems were demonstrated as phenol-coupling enzymes in ascomycetes. The latter example builds a bridge towards biaryl formation in other phyla, as rufoschweinitzin has been isolated from the mushroom Cortinarius rufoolivaceus as well. This finding raises the question of how phenol-coupling reactions are catalyzed in basidiomycetes and – moreover – in other organisms. The compilation of literature has created a theoretical basis for the study of phenol-coupling reactions in insects. It was found that biaryls were hitherto only isolated from aphids; possible origins of these so-called aphins, e.g., horizontal gene transfer or endosymbionts, are discussed. Altogether, the diverse routes that lead to the selective formation of biaryl natural products emphasize the significance of phenol-coupling reactions in nature
Abstract: Obwohl mehrere Strategien zur Synthese von Biarylverbindungen bekannt sind, ist die selektive Herstellung sehr anspruchsvoll. Das Ziel dieser Arbeit war es, biokatalytische Systeme in filamentösen Pilzen zu untersuchen, die in der Lage sind, selektive Phenolkupplungsreaktionen zu katalysieren.
Es wurde herausgefunden, dass die phenolkuppelnden Enzyme in der Biosynthese dimerer
α- und γ-Naphthopyrone zur Familie der Laccasen gehören. Laut Lehrbuchwissen gelten Laccasen als unselektive Phenoloxidasen. In Zusammenarbeit mit L. Fürtges wurde dieses Denkmuster am Beispiel der phenolkuppelnden Laccase VirL in Frage gestellt. Die Dimerisierung von semi-Vioxanthin führte zur Bildung von Pigmentosin A, und damit wurde Regioselektivität der Reaktion nachgewiesen. Darüber hinaus ergab die Untersuchung der Biosynthese von Ustilaginoidin A eine weitere bisher unbekannte Eigenschaft dimerisierender Laccasen: inhärente Atropselektivität. In Zusammenarbeit mit S. Obermaier wurde dieses Merkmal anhand vier homologer Laccasen eindeutig demonstriert. Während drei Laccasen (AshL, CheL, MytL) hoch P-selektiv waren, zeigte UstL eine stereochemische Flexibilität. In Abhängigkeit der Reaktionsbedingungen und der Enzymkonzentration wurde entweder die Bildung des P- oder des M-Atropisomers bevorzugt.
In der Biosynthese des Binaphthalens Sporandol wurde festgestellt, dass die dimerisierende Laccase von einem Fasciclin-Domänen-enthaltenden (fas) Protein begleitet wird. Im Allgemeinen ist diese Art von Protein mit Zelladhäsionsprozessen verknüpft. Im Rahmen dieser Arbeit konnte ihnen eine neue Funktion zugewiesen werden. Es wurde gezeigt, dass das fas Protein SpoF für die Kupplungsaktivität der Laccase SpoL unabdingbar ist. Nur die Koproduktion beider Proteine führte zu einem funktionellen Phenolkupplungssystem. Des Weiteren wurde die Bildung zweier neuer Binaphthalene – Rufoschweinitzin und Alloschweinitzin – mittels eines Cytochrom P450 Enzyms aus Xylaria schweinitzii gezeigt.
Somit konnten vier verschiedene Enzymsysteme als phenolkuppelnde Enzyme in Ascomyceten identifiziert und funktionell charakterisiert werden. Das letztere Beispiel schlägt eine Brücke zur Biosynthese von Biarylen in anderen Phyla, da Rufoschweinitzin auch aus dem Ständerpilz Cortinarius rufoolivaceus isoliert wurde. Dieses Ergebnis wirft die Frage auf, wie Phenolkupplungsreaktionen in Basidiomyceten und – darüber hinaus – in anderen Organismen katalysiert werden. Die Zusammenstellung von Literatur hat eine theoretische Grundlage für die Untersuchung von Phenolkupplungsreaktionen in Insekten geschaffen. Es wurde festgestellt, dass Biaryle bisher nur aus Blattläusen isoliert wurden; mögliche Ursprünge dieser so genannten Aphine, wie z.B. horizontaler Gentransfer oder Endosymbionten, werden diskutiert. Insgesamt unterstreichen die vielfältigen Wege, die zur selektiven Bildung von biarylen Naturstoffen führen, die Bedeutung der Phenolkupplungsreaktion in der Natur

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Englisch
• Anmerkungen: Universität Freiburg, Dissertation, 2020

Klassifikation und Themen

• Schlagwort: Phenol ; Enzymes ; Ascomycetes ; Nature ; Biokatalyse ; Biosynthese ; Sekundärmetabolit ; Kupplungsreaktion ; Enzymsystem

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2020
• Urheber: Thiele, Wiebke
• Beteiligte Personen und Organisationen: Müller, Michael ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Chemie und Pharmazie

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/165900
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-1659009
• Rechteinformation: Kein Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 2025-03-25T13:44:08+0100