Investigation of Unusual Cyclization Reactions in Biocatalysis

摘要 天然产物一直是并将继续是治疗和研究的先导化合物的丰富来源。 人类疾病。这些化合物中的许多具有不寻常的环状骨架， 依赖于并且经常需要同样不寻常的酶催化反应来构建它们。 通过映射 这些天然产物的生物合成途径，并阐明反应的化学机制 其中，我们的目标是丰富天然产物化学家和合成生物学家可用的工具库， 他们努力开发和设计新技术和药物，以造福人类健康。 然而，为了充分实现天然产物生物合成的潜力，必须 其特征在于，其基本化学性质被彻底理解。 本着这一精神，我们确定了三个 在下一个资助期内进行研究的主要系统。 因此，第一个具体目标是探索 这是一种前所未有的生物合成途径。 的顺式-反式稠环丁烷环系统， 科学家们长期以来一直对梯烷感兴趣，因为它们在厌氧氨氧化细菌中的重要性，它们对微生物的影响， 全球氮循环及其作为生物燃料的潜力。 然而，它们的生物合成仍然是个谜， 必需的酶转化基本上是未知的，并且很可能涉及许多自由基的转化。 由自由基SAM酶催化的介导反应。 第二个具体目标是了解 两种独特的肽基核苷类抗生素（PNAs）的生物起源。 聚酮和碳水化合物 生物合成传统上被认为是次生代谢中两个独立的范例。 然而，在这方面， 最近对阿米普利霉素和米哈拉霉素的生物合成研究表明， 这些PNA的糖核可能被生物合成为聚酮化合物。 我们的目标是严格检验这一假设 通过在体外重建生物合成途径。 我们将确定这些糖核的来源 化合物，并建立其结构中涉及的反应的顺序和性质。 第三 具体的目的是阐明途径和反应，负责吡唑环的形成， 福霉素A和阿佐弗林。 这些C-核苷类抗生素中的吡唑部分因其N-N 连接，可能需要形成有机肼中间体。 然而，生物 N-N键形成和环化的基础转化目前几乎完全是推测性的。 对这些假设的彻底调查将需要我们在分子生物学领域的专业知识的集体应用。 生物学，化学合成和酶学，以建立生物合成途径和酶 催化机制。这些系统是根据它们的新奇、对环境的影响、 机械酶学领域，并在生物医学研究的基础和转化的潜在效用 程度. 我们相信这项工作将继续解决生物化学中的长期问题，并开辟新的 在次级代谢和药物研究中的发现途径。

ABSTRACT     Natural products have been and continue to be a rich source of lead compounds for the treatment and study of  human diseases. Many of these compounds have unusual cyclic skeletons on which their biological properties  depend  and  often  require  equally  unusual  enzyme-­catalyzed  reactions  for  their  construction.  By  mapping  the  biosynthetic  pathways  of  these  natural  products  and  elucidating  the  chemical  mechanisms  of  the  reactions  therein, we aim to enrich the repertoire of tools available to natural product chemists and synthetic biologists in  their  efforts  to  develop  and  engineer  new  technologies  and  pharmaceuticals  for  the  benefit  of  human  health.  However,  in  order  to  fully  realize  the  potential  of  natural  product  biosynthesis,  the  pathways  must  be  characterized,  and  the  underlying  chemistry  thoroughly  understood.  In  this  spirit,  we  have  identified  three  principal  systems  for  study  in  the  next  funding  period.  Thus,  the  first  specific  aim  is  to  explore  the  unprecedented  biosynthetic  pathway  of  ladderane  lipids.  The  cis-­fused  cyclobutane  ring  systems  of  the  ladderanes have long been of interest to scientists given their importance in anammox bacteria, their impact on  the  global  nitrogen  cycle  and  their  potential  as  biofuels.  However,  their  biosynthesis  remains  enigmatic  as  the  necessary  enzyme  transformations  are  essentially  unknown  and  may  very  well  involve  a  number  of  radical-­ mediated  reactions  catalyzed  by  radical  SAM  enzymes.  The  second  specific  aim  seeks  to  understand  the  biological  origin  of  two  unique  peptidyl  nucleoside  antibiotics  (PNAs).  Polyketide  and  carbohydrate  biosynthesis  have  traditionally  been  considered  two  separate  paradigms  in  secondary  metabolism.  However,  recent  biosynthetic  investigations  of  amipurimycin  and  miharamycins  have  suggested  that  the  high-­carbon  sugar  cores  of  these  PNAs  are  likely  biosynthesized  as  polyketides.  We  aim  to  rigorously  test  this  hypothesis  by  reconstituting  the  biosynthetic  pathways  in  vitro.  We  will  determine  the  origin  of  the  sugar  cores  in  these  compounds  and  establish  the  sequence  and  nature  of  the  reactions  involved  in  their  construction.  The  third  specific  aim  is  to  elucidate  the  pathway  and  reactions  that  are  responsible  for  pyrazole  ring  formation  in  formycin  A  and  pyrazofurin.  The  pyrazole  moieties  in  these  C-­nucleoside  antibiotics  are  notable  for  their  N–N  linkage  that  may  require  formation  of  an  organohydrazine  intermediate.  However,  the  biological  transformations  underlying  N–N  bond  formation  and  cyclization  are  presently  almost  entirely  speculative.  Thorough  investigation  of  these hypotheses  will  require  the  collective application  of  our  expertise  in  molecular  biology,  chemical  synthesis  and  enzymology  to  establish  the  biosynthetic  pathways  and  enzymatic  mechanisms of catalysis. These systems have been selected on the basis of their novelty, implications for the  field  of  mechanistic  enzymology,  and  potential  utility  in  biomedical  research  at  the  basic  and  translational  levels.  We  believe  this  work  will  continue  to  address  standing  questions  in  biological  chemistry  and  open  new  avenues of discovery in secondary metabolism and pharmaceutical research.