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T. Wiesinger:
"Design of Non-Native Pathways to Synthesize Polyhydroxylated Compounds";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): M.D. Mihovilovic, F. Rudroff; E163, 2018.

In den letzten Jahren haben enzymvermittelte Kaskadenreaktionen zu bedeutenden Fortschritten in der asymmetrischen Synthese geführt, um u.a. wichtige Bausteine wie polyhydroxylierte Verbindungen zu erzeugen. Diese hochwertigen chiralen Moleküle (z.B. D-Fagomin, 1-Desoxynojirimycin) konnten aufgrund ihrer Aktivität gegen eine breite Palette von Krankheiten, wie Krebs und Diabetes identifiziert.Da diese Moleküle attraktive Produkte darstellen, wurden verschiedene Synthesestrategien (A) eingesetzt, um diese stereoselektiv zu synthetisieren. Insbesondere wurden Dihydroxyacetonphosphat- (DHAP) oder Dihydroxyaceton/Hydroxyaceton- (DHA/HA) abhängige Aldolasen untersucht, um die Orientierung des Diols zu steuern. Des Weiteren wurden Aldolasen auch in chemo-enzymatischen oder in in vitro-Kaskadenansätzen implementiert (B).


Um zeitintensive und atomineffiziente Schutz- und Entschützungsschritte, sowie eine aufwendige Intermediateaufreinigung der beschriebenen Verfahren (A) und (B) zu überwinden, wurden zwei bioinspirierte Strategien (Pathway I and Pathway II) etabliert (C). Diese entwickelten Ganzzell-Biokatalysatoren werden als biokatalytisches Werkzeug für die asymmetrische Synthese der Zielmoleküle eingesetzt. Beide künstliche Stoffwechsel bestehen aus mehreren verschiedenen Enzymen, die eingeführt wurden, um die zentralen Moleküle, den Aldolakzeptor (Aldehyd) und das verwandte Aldolprodukt, bereitzustellen. Die Gesamtleistung von Pathway I wurde durch verschiedene Strategien hinsichtlich genetischer Ebene (Operon-Design) und Prozessparameter (z. B. Aldol-Donor-Konzentration und zellulärer Transport) verbessert. Mittels dem gentechnisch veränderte E. coli-Stamm in Kombination mit einem verfeinerten Festphasenextraktionsprotokoll (SPE), konnten die diastereomer-reinen Zielverbindungen in einer 3fach höheren isolierten Ausbeuten erhalten werden, verglichen mit der Strategie (B). Die Ergebnisse von Pathway II zeigten, dass DHAP-abhängige Aldolasen (FucA und RhuA) unter in vitro Bedingungen nicht ausschließlich das verwandte Diastereomer erzeugen, sondern immer eine syn/anti-Mischung. Zusätzlich wurde die Isolierung und Charakterisierung des entsprechenden phosphorylierten Aldoladdukts auf biokatalytischem und chemischem Weg durchgeführt. Insbesondere waren die dafür erhaltenen NMR-Daten bis dato nicht Literatur bekannt.

Over the past decade, enzyme mediated transformations in a cascade fashion have led to significant advances in asymmetric synthesis to generate important building block structures such as polyhydroxylated carbohydrates or heterocycles. These high value chiral molecules (e.g. D-fagomine, 1-deoxynojirimycin) were identified as essential substructures due to their activity against a wide range of diseases such as cancer and diabetes. Since these molecules represents attractive target products, different synthetic strategies (A) were applied over the years to synthesize them in a stereochemically pure fashion. Especially, dihydroxyacetone phosphate (DHAP) or dihydroxyacetone/hydroxyacetone (DHA/HA) dependent aldolases were investigated to control the orientation of the diol and were also implemented into chemo-enzymatic or in vitro cascade approaches (B).



To overcome bottlenecks such as time consuming and atom inefficient protection/deprotection steps as well as elaborate intermediate purification of the described procedures (A) and (B), two bio-inspired strategies (Pathway I and Pathway II) were established (C). These developed whole cell biocatalysts will serve as a biocatalytic tool for the synthesis of the diastereomerically pure target molecules. Both pathways consist of several different enzymes, which were introduced to provide the central molecules, the aldol acceptor (aldehyde) and the related aldol product. The overall performance of Pathway I was improved by different strategies on genetic (e.g. operon design) and process parameters (e.g. aldol donor concentration and cellular transport). The engineered E. coli strain combined with a refined solid-phase extraction (SPE) protocol, the diastereomerically pure target compounds were obtained in 3-fold higher isolated yields, compared to strategy (B). Results of Pathway II showed that under in vitro reaction conditions, DHAP dependent aldolase (FucA and RhuA) do not exclusivily generate the related diastereomere, they always yielded in syn/anti mixtures. Additoinally the isolation and characterization of the corresponding phosphorlyated aldol adduct was achieved by a biocatalytic and chemical synthetic route. Especially, the observed NMR data were until now not presented in the literature.

enzyme cascades, biocatalysis, aldolases