2-Pyrone durch Biokatalyse.
2-Pyrone sind chemische Ringstrukturen, die in vielen Naturstoffen mit verschiedenen biologischen Wirkungen vorkommen. Solche Wirkungen reichen von antimikrobieller über anti-parasitischer bis hin zu antioxidativer und anti-entzündlicher Aktivität. Auch als Fungizide sind 2-Pyrone interessant – wie zum Beispiel die fungiziden Verbindungen Gerberin und Para-Sorbosid aus der Zierpflanze Gerbera (Gerbera x hybrida). Allerdings gestaltet sich die Isolierung von 2-Pyronen aus natürlichen Quellen schwierig, und eine chemische Synthese benötigt den Einsatz von organischen Lösungsmitteln und oft auch halogenierten Reagenzien.
Wissenschaftler/innen des IPB erforschen daher, wie man natürliche und auch neuartige 2-Pyrone einfacher und nachhaltiger herstellen kann. Dazu haben sie ihrer neusten Studie die katalytische Flexibilität von Enzymen ausgelotet, die zur Biokatalyse von 2-Pyronen geeignet sein können. Sie testeten rekombinante Pflanzenenzyme in vitro mit zwanzig Acyl-CoA-Thioestern als potenzielle Substrate und analysierten die Reaktionsprodukte. So konnte gezeigt werden, dass eine 2-Pyronsynthase aus Gerbera, Gh2PS2, ein breites Spektrum von aliphatischen und aromatischen Acyl-CoA-Substraten umsetzte, dabei aber eher planare Verbindungen mit flexiblen Seitenketten als steifere, ungesättigte Strukturen akzeptierte.
Für die Feruloyl-CoA-6‘-Hydroxylasen 1 und 2 aus Arabidopsis thaliana wurden erfolgreich Feruloyl-CoA und Homoferuloyl-CoA als Substrate identifiziert, wobei besonders das nicht natürlich vorkommende Homoferuloyl-Substrat interessant ist, da es zum ebenfalls nicht natürlichen Produkt Homoscopoletin führt. Der enzymatische Zugang zu solchen Derivaten natürlicher Katalyseprodukte ist sehr attraktiv, da diese Produkte verbesserte Eigenschaften oder stärkere Wirkeffekte aufweisen könnten.
Durch Homologie-Modellierung der Enzymstruktur und Substratdocking-Experimente in silico konnten die Wissenschaftler Aminosäurereste ausmachen, die für die Substratspezifität der untersuchten Enzyme verantwortlich sein könnten. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse diskutieren sie mögliche Modifikationen, mit denen Spezifität und Selektivität zu gewünschten Produkten hin beeinflusst werden könnten.
Zuletzt zeigten die Wissenschaftler am Beispiel von Gh2PS2, dass sie in einer Kaskadenreaktion im präparativen Maßstab ein 2-Pyron mit großer Reinheit herstellen können. Die Möglichkeit 2-Pyrone biokatalytisch in wässriger Lösung und in einfachen Eintopf- oder Kaskadenreaktionen herzustellen, ist ein vielversprechender Weg komplexe und auch neuartige Leitstrukturen effizient und umweltschonend zu gewinnen.
Originalpublikation: Svitlana Manoilenko, Martin Dippe, Tristan Fuchs, Daniela Eisenschmidt-Bönn, Jörg Ziegler, Anne-Katrin Bauer, Ludger A. Wessjohann. 2024. Enzymatic one-step synthesis of natural 2-pyrones and new-to-nature derivatives from coenzyme A esters, Journal of Biotechnology, Volume 388, Pages 72-82, DOI: 10.1016/j.jbiotec.2024.04.006.
