Investigation of Unusual Cyclization Reactions in Biocatalysis

点击翻译按钮获取中文摘要

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.