DeoxyBioCat: Redesign von Enzymkaskaden für Deoxyzucker

Kohlenhydrate (Zucker) sind die strukturell am stärksten diverse Klasse der Biomoleküle. Zentral wichtige Prozesse der biologischen Erkennung, wie Zell-Zell oder Protein-Protein Wechselwirkungen, basieren häufig auf Kohlenhydraten als den wesentlichen Elementen der Spezifität. Die breite Diversität der natürlichen Kohlenhydrate resultiert aus der strukturellen Variation der Einzelbausteine (Monosaccharide) sowie aus der Art der wechselseitigen Verknüpfung dieser Einzelbausteine. Eine wichtige Strategie der zellulären Biosynthesis ist es, die strukturelle Diversität der Zuckerbausteine dadurch zu erhöhen, dass Vorläufer Monosaccharide deoxygeniert werden. Chemisch gesprochen ist die Deoxygenierung ein Ersatz einer Hydroxygruppe durch Wasserstoff. Die strukturelle Modifikation verleiht dem Monosaccharid neue chemische Eigenschaften und ermöglicht neue biologische Funktionen. Viele biologisch wichtige Monosaccharide sind deoxygeniert, wie zum Beispiel L-Fukose, die in humanen Glykoproteinen weit verbreitet ist, oder verschiedene Monosaccharide in Sekundärmetaboliten mit antibiotischer Wirkung. Um Deoxyzucker für verschiedene Anwendungen in der Medizin, für die Ernährung und für die industrielle Nutzung breiter einsetzbar zu machen benötigt man effiziente Wege für deren Synthese als chemisch definierte Verbindungen. Ein Zuckersubstrat weist mehrere Hydroxygruppen auf, von denen im Zuge der Deoxygenierung nur eine spezifisch ersetzt werden soll. Eine Synthese, die auf der ausgezeichneten Selektivität von Enzymen aufbaut, ist daher besonders vielversprechend. Die natürliche Synthese von Deoxyzuckern findet an universellen Vorläuferverbindungen, den Nukleotid aktivierten Formen des Zuckers, statt. Die enzymatische Deoxygenierung wird dann durch sogenannte Dehydratasen erreicht. Die Reaktionen der Dehydratasen sind mechanistisch herausfordernd, da sie mehrere katalytische Schritte (Oxidation, Eliminierung, Reduktion) involvieren, die vom Enzym präzise aufeinander abgestimmt durchgeführt werden müssen. Dehydratase Reaktionen für die präparative Synthese werden bevorzugt in mehrstufigen Enzymkaskaden durchgeführt. The Idee der Kaskade ist es, mehrere Enzyme in einer Eintopfreaktion einzusetzen, um den gewünschten Deoxyzucker ausgehend von einfachen und kostengünstigen Substraten herzustellen. Die Ziele des Projekts sind: verbessertes mechanistisches Verständnis der Dehydratasen, die Nukleotid aktivierte Zucker umsetzen; Anwendung dieses Verständnis für das gezielte Engineering von Enzymen; Identifikation und Entwicklung von Enzymen für die Synthese von verschiedenen Deoxyzuckern in neuen Reaktionen; Integration von Dehydratasen in enzymatische Kaskadenreaktionen für die effiziente Synthese. Hierbei ist neben anderen Beispielen L-Fukose von besonderem Interesse. Das Projekt kombiniert molekulare Enzymologie mit Elementen der Synthetischen Biologie, um Multienzymkaskaden für die Synthese von Deoxyzuckern verfügbar zu machen.