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Untersuchungen zur Stereoselektivität und -spezifität der Ketoreduktase Tyl-KR1 aus Streptomyces fradiae ; Studies on the stereoselectivity and -specificity of the ketoreductase Tyl-KR1 from Streptomyces fradiae
Zahlreiche biologisch aktive Naturstoffe gehören zur Familie der Polyketide. Für ein besseres Verständnis ihrer Biosynthese wurden die daran beteiligten Enzyme, darunter die Ketoreduktasen (KR), in den vergangenen Jahren eingehend untersucht. KR beeinflussen in hohem Maße die Molekülstruktur der Polyketide, da sie zum einen durch selektive Ketoreduktion Hydroxygruppen in das Molekülgerüst einführen und zum anderen die absolute Konfiguration benachbarter, Alkylgruppen-tragender Stereozentren mitbestimmen. Als rekombinante Enzyme werden sie des Weiteren zur Reduktion nicht-physiologischer Polyketidanaloga eingesetzt. Das Interesse gilt hierbei insbesondere KR mit einer in der Natur selten beobachteten anti-(R,R)-Selektivität, wie der in dieser Arbeit untersuchten Tylacton-Ketoreduktase 1 (Tyl-KR1). Durch die Reduktion einer Auswahl an Polyketid-ähnlichen Estern und Thioestern konnte eindeutig gezeigt werden, dass die Stereoselektivität und –spezifität von Tyl-KR1 entscheidend von der Struktur des eingesetzten Substrats abhängen. Die zu unter-suchenden Verbindungen wurden, soweit erforderlich, selbst synthetisiert und sowohl im analytischen als auch im präparativen Maßstab enzymatisch umgesetzt. Zur eingehenden Charakterisierung der erhaltenen Reduktionsprodukte wurden GC-MS- und NMR-Messungen durchgeführt. Die stereochemische Analyse umfasste neben der Ermittlung des Diastereomerenverhältnisses (d.r.) sowie des Enantiomerenüberschusses (ee) auch die Bestimmung der absoluten Konfiguration durch eine Kombination aus Vibrations-circulardichroismus (VCD) und quantenchemischen Berechnungen. Durch Überführung der strukturell zum Teil stark unterschiedlichen Produkte in nahezu identische cyclische Verbindungen mittels einer einfachen Derivatisierungsstrategie konnten die erhaltenen Daten direkt verglichen sowie die Berechnung theoretischer IR- und VCD-Spektren stark vereinfacht werden. Für die quantitative Analytik wurde zudem eine Methode zur chiralen Gaschromatographie etabliert. Als Leitstruktur wurde ein Thioester-Analogon des natürlichen Tyl-KR1-Substrats verwendet. Diese Verbindung wurde durch die heterolog in E. coli produzierte Tyl-KR1 sehr selektiv (d.r.anti:syn: >99:1, ee: 84%) zu dem erwarteten anti-(R,R) konfigurierten Produkt reduziert. Für alle anderen untersuchten Substratvarianten wurde dagegen eine erhöhte Tendenz zur Bildung des anti-(S,S)-Enantiomers beobachtet. Durch systematisches Verändern der Leitstruktur gelang eine vollständige Umkehr der Enantioselektivität (eeanti-(S,S) bis zu 92%). Im Gegensatz dazu blieb die hohe Diastereoselektivität von Tyl-KR1 nahezu unbeeinflusst. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass folgende Faktoren mitentscheidend für die resultierende Produktstereochemie Tyl-KR1-katalysierter Reduktionen sind: Die Kettenlänge des Substrats, die Struktur und die Polarität des Estersubstituenten sowie die Gegenwart eines Esters oder Thioesters. Um diese Beobachtungen anhand eines mechanistischen Modells erklären zu können, wurden die experimentellen Daten als Basis für in silico Bindungsstudien verwendet. Diese Arbeit trägt somit zu einem tieferen Verständnis der durch rekombinante KR katalysierten Reduktion nicht-physiologischer Polyketidanaloga bei. Für die Konfigurationsanalyse wurde mit der VCD-Spektroskopie eine einfache und zuverlässige Alternative zu den üblicherweise genutzten chromatographischen Verfahren verwendet. ; Many biologically active natural compounds belong to the family of polyketides. For a better understanding of their biosynthesis, recent research focused on detailed studies of the involved enzymes, e.g. the ketoreductases (KR). KR strongly influence the molecular structure of polyketides, as they are responsible for the introduction of characteristic hydroxyl groups through selective ketoreduction and, furthermore, co-determine the absolute configuration of adjacent stereo centers. In the form of recombinant enzymes they are also useful for the reduction of non-physiological polyketide analogues. Among the KR applied for this purpose, those featuring a rarely observed anti-(R,R)-selectivity, such as the tylactone ketoreductase 1 (Tyl-KR1) studied in this thesis, are of particular interest. Through reduction of a set of polyketide-derived esters and thioesters, it was clearly shown that both the stereoselectivity and –specificity of Tyl-KR1 are highly substrate-dependent. The different substrates were synthesized if necessary, and reductions were done both on analytical and on preparative scale. For a thorough characterization of the obtained reduction products, GC-MS and NMR measurements were employed. Stereochemical analyses included the determination of the diastereomeric ratio (d.r.), the enantiomeric excess (ee), and the absolute configuration. Configurational assignment was done in a straightforward way applying a combination of vibrational circular dichroism (VCD) and quantum-chemical calculations. A simple derivatisation procedure, used for the conversion of the structurally diverse reduction products into nearly identical cyclic acetals, allowed for the direct comparison of experimental data and facilitated the calculation of theoretical IR- and VCD-spectra. A chiral gas chromatography protocol was established for quantitative analysis. A thioester-analogue of the physiological Tyl-KR1 substrate served as a lead structure. Tyl KR1, heterologously produced in E. coli, reduced this compound selectively (d.r.anti:syn: >99:1, ee: 84%) to the anticipated anti-(R,R) configured product. For every other substrate, however, a higher tendency for the formation of the anti-(S,S)-enantiomer was observed. The systematic modification of the lead structure even resulted in a complete inversion of the enantioselectivity (eeanti-(S,S) up to 92%). In contrast, the distinct diastereoselectivity of Tyl KR1 was not affected by structural variations. The results of this thesis show that the following factors are crucial for the resulting stereochemistry of Tyl-KR1-catalysed reductions: the chain length of the substrate, the structure and the polar/non-polar character of the ester group, and the presence of an ester or a thioester. These findings were taken as a basis for in silico docking studies in order to correlate the experimental results with a mechanistic model. In summary, this thesis adds new aspects to the knowledge about reductions of non-natural polyketide analogues catalyzed by recombinant KR. The use of VCD-spectroscopy allows for a precise configurational analysis and represents a straightforward alternative to established chromatographic procedures.
Untersuchungen zur Stereoselektivität und -spezifität der Ketoreduktase Tyl-KR1 aus Streptomyces fradiae ; Studies on the stereoselectivity and -specificity of the ketoreductase Tyl-KR1 from Streptomyces fradiae
Zahlreiche biologisch aktive Naturstoffe gehören zur Familie der Polyketide. Für ein besseres Verständnis ihrer Biosynthese wurden die daran beteiligten Enzyme, darunter die Ketoreduktasen (KR), in den vergangenen Jahren eingehend untersucht. KR beeinflussen in hohem Maße die Molekülstruktur der Polyketide, da sie zum einen durch selektive Ketoreduktion Hydroxygruppen in das Molekülgerüst einführen und zum anderen die absolute Konfiguration benachbarter, Alkylgruppen-tragender Stereozentren mitbestimmen. Als rekombinante Enzyme werden sie des Weiteren zur Reduktion nicht-physiologischer Polyketidanaloga eingesetzt. Das Interesse gilt hierbei insbesondere KR mit einer in der Natur selten beobachteten anti-(R,R)-Selektivität, wie der in dieser Arbeit untersuchten Tylacton-Ketoreduktase 1 (Tyl-KR1). Durch die Reduktion einer Auswahl an Polyketid-ähnlichen Estern und Thioestern konnte eindeutig gezeigt werden, dass die Stereoselektivität und –spezifität von Tyl-KR1 entscheidend von der Struktur des eingesetzten Substrats abhängen. Die zu unter-suchenden Verbindungen wurden, soweit erforderlich, selbst synthetisiert und sowohl im analytischen als auch im präparativen Maßstab enzymatisch umgesetzt. Zur eingehenden Charakterisierung der erhaltenen Reduktionsprodukte wurden GC-MS- und NMR-Messungen durchgeführt. Die stereochemische Analyse umfasste neben der Ermittlung des Diastereomerenverhältnisses (d.r.) sowie des Enantiomerenüberschusses (ee) auch die Bestimmung der absoluten Konfiguration durch eine Kombination aus Vibrations-circulardichroismus (VCD) und quantenchemischen Berechnungen. Durch Überführung der strukturell zum Teil stark unterschiedlichen Produkte in nahezu identische cyclische Verbindungen mittels einer einfachen Derivatisierungsstrategie konnten die erhaltenen Daten direkt verglichen sowie die Berechnung theoretischer IR- und VCD-Spektren stark vereinfacht werden. Für die quantitative Analytik wurde zudem eine Methode zur chiralen Gaschromatographie etabliert. Als Leitstruktur wurde ein Thioester-Analogon des natürlichen Tyl-KR1-Substrats verwendet. Diese Verbindung wurde durch die heterolog in E. coli produzierte Tyl-KR1 sehr selektiv (d.r.anti:syn: >99:1, ee: 84%) zu dem erwarteten anti-(R,R) konfigurierten Produkt reduziert. Für alle anderen untersuchten Substratvarianten wurde dagegen eine erhöhte Tendenz zur Bildung des anti-(S,S)-Enantiomers beobachtet. Durch systematisches Verändern der Leitstruktur gelang eine vollständige Umkehr der Enantioselektivität (eeanti-(S,S) bis zu 92%). Im Gegensatz dazu blieb die hohe Diastereoselektivität von Tyl-KR1 nahezu unbeeinflusst. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass folgende Faktoren mitentscheidend für die resultierende Produktstereochemie Tyl-KR1-katalysierter Reduktionen sind: Die Kettenlänge des Substrats, die Struktur und die Polarität des Estersubstituenten sowie die Gegenwart eines Esters oder Thioesters. Um diese Beobachtungen anhand eines mechanistischen Modells erklären zu können, wurden die experimentellen Daten als Basis für in silico Bindungsstudien verwendet. Diese Arbeit trägt somit zu einem tieferen Verständnis der durch rekombinante KR katalysierten Reduktion nicht-physiologischer Polyketidanaloga bei. Für die Konfigurationsanalyse wurde mit der VCD-Spektroskopie eine einfache und zuverlässige Alternative zu den üblicherweise genutzten chromatographischen Verfahren verwendet. ; Many biologically active natural compounds belong to the family of polyketides. For a better understanding of their biosynthesis, recent research focused on detailed studies of the involved enzymes, e.g. the ketoreductases (KR). KR strongly influence the molecular structure of polyketides, as they are responsible for the introduction of characteristic hydroxyl groups through selective ketoreduction and, furthermore, co-determine the absolute configuration of adjacent stereo centers. In the form of recombinant enzymes they are also useful for the reduction of non-physiological polyketide analogues. Among the KR applied for this purpose, those featuring a rarely observed anti-(R,R)-selectivity, such as the tylactone ketoreductase 1 (Tyl-KR1) studied in this thesis, are of particular interest. Through reduction of a set of polyketide-derived esters and thioesters, it was clearly shown that both the stereoselectivity and –specificity of Tyl-KR1 are highly substrate-dependent. The different substrates were synthesized if necessary, and reductions were done both on analytical and on preparative scale. For a thorough characterization of the obtained reduction products, GC-MS and NMR measurements were employed. Stereochemical analyses included the determination of the diastereomeric ratio (d.r.), the enantiomeric excess (ee), and the absolute configuration. Configurational assignment was done in a straightforward way applying a combination of vibrational circular dichroism (VCD) and quantum-chemical calculations. A simple derivatisation procedure, used for the conversion of the structurally diverse reduction products into nearly identical cyclic acetals, allowed for the direct comparison of experimental data and facilitated the calculation of theoretical IR- and VCD-spectra. A chiral gas chromatography protocol was established for quantitative analysis. A thioester-analogue of the physiological Tyl-KR1 substrate served as a lead structure. Tyl KR1, heterologously produced in E. coli, reduced this compound selectively (d.r.anti:syn: >99:1, ee: 84%) to the anticipated anti-(R,R) configured product. For every other substrate, however, a higher tendency for the formation of the anti-(S,S)-enantiomer was observed. The systematic modification of the lead structure even resulted in a complete inversion of the enantioselectivity (eeanti-(S,S) up to 92%). In contrast, the distinct diastereoselectivity of Tyl KR1 was not affected by structural variations. The results of this thesis show that the following factors are crucial for the resulting stereochemistry of Tyl-KR1-catalysed reductions: the chain length of the substrate, the structure and the polar/non-polar character of the ester group, and the presence of an ester or a thioester. These findings were taken as a basis for in silico docking studies in order to correlate the experimental results with a mechanistic model. In summary, this thesis adds new aspects to the knowledge about reductions of non-natural polyketide analogues catalyzed by recombinant KR. The use of VCD-spectroscopy allows for a precise configurational analysis and represents a straightforward alternative to established chromatographic procedures.
Untersuchungen zur Stereoselektivität und -spezifität der Ketoreduktase Tyl-KR1 aus Streptomyces fradiae ; Studies on the stereoselectivity and -specificity of the ketoreductase Tyl-KR1 from Streptomyces fradiae
Häckh, Matthias (author)
2014-01-01
Theses
Electronic Resource
German
Biosorption of Heavy Metals by Dead Streptomyces fradiae
British Library Online Contents | 2008
|Streptomyces avermitilis from marine
Online Contents | 2005
|Factors Influencing the Growth of Streptomyces Setonii 75vi2 and Streptomyces chromofuscus A11
British Library Conference Proceedings | 1998
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