Enzyme der Nikkomycinbiosynthese

Nikkomycine werden von verschiedenen Streptomyces Arten hergestellt. Aufgrund ihrer starken Inhibierung der Chitinsynthase besitzen sie fungizide, insektizide und akarizide Eigenschaften. Da die Biosynthese von Chitin für die Integrität der Zellwand bei Pilzen sowie für das Exoskelett von Insekten, Spinnen und anderen Invertebraten von grosser Bedeutung ist, wird den Nikkomycinen ein hohes antibiotisches Potential zugeschrieben. Strukturell betrachtet sind Nikkomycine Peptidnukleoside, die aus zwei ungewöhnlichen Aminosäuren, nämlich dem Hydroxypyridylhomothreonin und der Aminohexuronsäure bestehen. Letztere ist zusätzlich mit Uracil oder 4- Formyl-4-imidazolin-2-on N-glykosidisch verknüpft. Obwohl die chemischen Strukturen der Nikkomycine seit den siebziger Jahren des letzten Jahrhunderts bekannt sind, wurden nur wenige Schritte biochemisch untersucht. Daher sind die chemischen Reaktionen, die letztlich zur Aminohexuronsäure führen, vollkommen unbekannt. Wir konnten kürzlich zeigen, dass der erste Reaktionsschritt die Übertragung von Enolpyruvat auf die 3`-Position von UMP ist, der durch ein als NikO bezeichnetes Protein katalysiert wird. Die weiteren Schritte der Biosynthese sind bislang nicht aufgeklärt worden. Eine Reihe von Genen, die sich ebenfalls auf dem Nikkomycin Biosynthese- Operon befinden, werden zusammen mit nikO transkribiert. Es ist daher sehr wahrscheinlich, dass die entsprechenden Proteine bei der Biosynthese der Aminohexuronsäure eine Rolle spielen. Ziel dieses Projektes ist die Aufklärung der Biosyntheseschritte die vom 3`-enolpyruvyl-UMP zum Nikkomycinintermediat "S" führen. Dazu sind nach unserer vorläufigen Arbeitshypothese eine Phosphatase und eine "Cyclase" notwendig. Im vorliegenden Projekt werden die verantwortlichen Gene kloniert und die kodierten Proteine rekombinant hergestellt und zur Homogenität gereinigt. Anschliessend werden die Proteine zur Entschlüsselung der biosynthetischen Reaktionen herangezogen. Parallel dazu wird mittels Röntgenstrukturanalyse die Struktur der Proteine aufgeklärt. Diese Kombination von biochemischen und strukturellen Untersuchungen ermöglicht einen Einblick in das Struktur-Wirkungs-Gefüge der Enzyme bezüglich Katalyse und Substratspezifität. Diesen Ansatz wollen wir letztendlich bis zur vollständigen Aufklärung der Aminohexuronsäurebiosynthese vorantreiben. Dadurch können wir einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis der Nikkomycinbiosynthese leisten und darüberhinaus eine Strategie zur Synthese neuartiger Nikkomycine entwickeln. Diese könnten wertvolle Eigenschaften als potentielle Antibiotika besitzen.

Nikkomycine werden von verschiedenen Streptomyces Arten hergestellt. Aufgrund ihrer starken Inhibierung der Chitinsynthase besitzen sie fungizide, insektizide und akarizide Eigenschaften. Da die Biosynthese von Chitin für die Integrität der Zellwand bei Pilzen sowie für das Exoskelett von Insekten, Spinnen und anderen Invertebraten von grosser Bedeutung ist, wird den Nikkomycinen ein hohes antibiotisches Potential zugeschrieben. Strukturell betrachtet sind Nikkomycine Peptidnukleoside, die aus zwei ungewöhnlichen Aminosäuren, nämlich dem Hydroxypyridylhomothreonin und der Aminohexuronsäure bestehen. Letztere ist zusätzlich mit Uracil oder 4- Formyl-4-imidazolin-2-on N-glykosidisch verknüpft. Obwohl die chemischen Strukturen der Nikkomycine seit den siebziger Jahren des letzten Jahrhunderts bekannt sind, wurden nur wenige Schritte biochemisch untersucht. Daher sind die chemischen Reaktionen, die letztlich zur Aminohexuronsäure führen, vollkommen unbekannt. Wir konnten kürzlich zeigen, dass der erste Reaktionsschritt die Übertragung von Enolpyruvat auf die 3`-Position von UMP ist, der durch ein als NikO bezeichnetes Protein katalysiert wird. Die weiteren Schritte der Biosynthese sind bislang nicht aufgeklärt worden. Eine Reihe von Genen, die sich ebenfalls auf dem Nikkomycin Biosynthese- Operon befinden, werden zusammen mit nikO transkribiert. Es ist daher sehr wahrscheinlich, dass die entsprechenden Proteine bei der Biosynthese der Aminohexuronsäure eine Rolle spielen. Ziel dieses Projektes ist die Aufklärung der Biosyntheseschritte die vom 3`-enolpyruvyl-UMP zum Nikkomycinintermediat "S" führen. Dazu sind nach unserer vorläufigen Arbeitshypothese eine Phosphatase und eine "Cyclase" notwendig. Im vorliegenden Projekt werden die verantwortlichen Gene kloniert und die kodierten Proteine rekombinant hergestellt und zur Homogenität gereinigt. Anschliessend werden die Proteine zur Entschlüsselung der biosynthetischen Reaktionen herangezogen. Parallel dazu wird mittels Röntgenstrukturanalyse die Struktur der Proteine aufgeklärt. Diese Kombination von biochemischen und strukturellen Untersuchungen ermöglicht einen Einblick in das Struktur-Wirkungs-Gefüge der Enzyme bezüglich Katalyse und Substratspezifität. Diesen Ansatz wollen wir letztendlich bis zur vollständigen Aufklärung der Aminohexuronsäurebiosynthese vorantreiben. Dadurch können wir einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis der Nikkomycinbiosynthese leisten und darüberhinaus eine Strategie zur Synthese neuartiger Nikkomycine entwickeln. Diese könnten wertvolle Eigenschaften als potentielle Antibiotika besitzen.