Characterisation of ThDP-dependent enzymes from the biosynthesis of longer-branched sugars

Abstract: In this work, the biosynthetic gene clusters (BGCs) for three branched sugars with branches
longer than C2 (longer-branched sugars) were investigated. Genes encoding ThDP-dependent
enzymes, necessary for the carboligation, were identified. Furthermore, genes encoding
aldolases were found in the BGCs as well; the function of these enzymes was initially unknown.
For the longer-branched sugar erwiniose, a route with an aldolase reaction of pyruvate and
acetaldehyde and a subsequent ThDP-dependent carboligation with a keto sugar was proposed.
With the ThDP-dependent enzyme from the biosynthesis of erwiniose (ErwE), carboligations
were shown with the putative native donor substrate 4-hydroxy-2-oxopentanoate and a
homologue of the putative native acceptor substrate (Scheme, upper right side); aromatic and
aliphatic aldehydes (Scheme, left side) were also converted. The native donor substrate was
synthesised in an aldolase reaction, analogously to the aldolase reaction in the biosynthesis.
On the basis of these results, two carboligases from BGCs in Mycobacterium marinum
(MMAR_2332) and Mycobacterium gastri (MyGE) were investigated and enzymatic activity
for both ThDP-dependent enzymes was shown. The results indicate that the biosynthetic route
identified for erwiniose can be generally applied for the biosynthesis of longer-branched sugars.
The three identified enzymes expand the donor substrate range of ThDP-dependent enzymes
towards different chiral and functionalised -keto acids. Stereospecificity and stereoselectivity
were shown in reactions with the ThDP-dependent enzymes ErwE, MMAR_2332, and MyGE;
formation of diastereomeric products for 1-(4-bromophenyl)-1,4-dihydroxypentan-2-one (115,
Scheme, upper left side) was observed with ErwE [(1R,4R)-115] and MyGE [(1R,4S)-115].
Finally, with the knowledge from the three investigated BGCs, 50 new putative BGCs for the
biosynthesis of branched sugars were identified in Gram-negative and unexpectedly also in
Gram-positive bacteria that have not been described to produce branched sugars so far
Abstract: In dieser Arbeit wurden die Biosynthesen von drei verzweigten Zuckern mit Seitenketten
größer C2 (länger-verzweigte Zucker) untersucht. Gene für ThDP-abhängige Enzyme wurden
in Pectobacterium atrosepticum (ErwE), Mycobacterium marinum (MMAR_2332) und
Mycobacterium gastri (MyGE) gefunden. Zusätzlich wurde in allen drei Biosyntheseclustern
ein Gen für eine Aldolase identifiziert; die Funktion dieser Aldolasen war zunächst unbekannt.
Für den länger-verzweigten Zucker Erwiniose wurde eine Biosynthese vorgeschlagen, in der
eine enzymatischen Aldolreaktion mit Pyruvat und Acetaldehyd der ThDP-abhängige Reaktion
vorausgeht. Das gebildete Donorsubstrat wird daraufhin mit einem Ketozucker verknüpft. Mit
dem ThDP-abhängigen Enzym ErwE wurde eine C–C Knüpfung mit dem postulierten
natürlichen Substrat 4-Hydroxy-2-oxovaleriansäure und einem dem natürlichen
Akzeptorsubstrat ähnlichen Keton (Abbildung, rechts oben) gezeigt. Zusätzlich wurden
aromatische und aliphatische Aldehyde umgesetzt (Abbildung, links). Das Donorsubstrat
wurde in einer der natürlichen Biosynthese nachempfundenen Aldolreaktion gebildet.
MMAR_2332 und MyGE wurden daraufhin untersucht und es wurde für beide Enzyme
katalytische Aktivität gezeigt. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die vorgeschlagene
Biosyntheseroute für Erwiniose auch auf andere länger-verzweigte Zucker übertragen werden
kann. Mit den drei Enzymen konnte außerdem das Akzeptorsubstratspektrum ThDPabhängiger
Enzyme um chirale und funktionalisierte -Ketosäuren erweitert werden. Darüber
hinaus konnten Stereospezifität und Stereoselektivität für ErwE, MMAR_2332 und MyGE
gezeigt werden; die Bildung von Diastereomeren von 1-(4-Bromphenyl)-1,4-dihydroxypentan-
2-on (115) wurde mit ErwE [(1R,4R)-115] und MyGE [(1R,4S)-115] beobachtet.
Mit Hilfe des Wissens über den Aufbau der drei untersuchten Biosynthesecluster wurden 50
weitere Biosynthesecluster in grampositiven und unerwarteter Weise auch in gramnegativen
Bakterien gefunden, für die bisher keine Biosynthese von verzweigten Zuckern bekannt ist

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Englisch
• Anmerkungen: Universität Freiburg, Dissertation, 2019

Klassifikation und Themen

• Klassifikation: Biowissenschaften, Biologie

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2019
• Urheber: Steitz, Jan-Patrick
• Beteiligte Personen und Organisationen: Müller, Michael ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Chemie und Pharmazie

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/150028
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-1500286
• Rechteinformation: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 25.03.2025, 13:49 MEZ