A tamed killer enzyme: In-depth analysis of the roseoflavin pathway specific phosphatase RosC from Streptomyces davaonensis

• Applicant: Professor Dr. Matthias Mack
• Subject Area: Metabolism, Biochemistry and Genetics of Microorganisms ; Biochemistry
• Term: from 2014 to 2025
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 251267597

Final Report Abstract

Roseoflavin ist das einzige bekannte natürliche Riboflavin (Vitamin B2)-Analogon mit antibiotischer Wirkung. Vitaminanaloga dienen als sogenannte Leitstrukturen zur Entwicklung neuartiger Antibiotika und tragen dazu bei, das Arsenal von Antiinfektiva aufzufüllen, welches zur Bekämpfung multiresistenter bakterieller Krankheitserreger dringend benötigt wird. Bislang war unklar wie das Antibiotikum Roseoflavin in den Bakterien Streptomyces davawensis und Streptomyces cinnabarinus gebildet wird. Im Verlauf des Projekts gelang der Beweis, dass tatsächlich nur ein Enzym für die ungewöhnliche Synthese von 8-Amino-8-demethylriboflavin-5‘-phosphat (AFP) verantwortlich ist, dem Schlüsselintermediat hat der Roseoflavinbiosynthese. RosB ist eine 8-Amino-8-demethyl-riboflavin-5'-phosphat (AFP) Synthase und das erste bekannte Enzym einer neuen Enzymklasse (mit einem neuen Reaktionsmechanismus), deren Vertreter Oxidoreduktasen, Decarboxylasen und Aminotransferasen in einem sind. Das neue Enzym RosB könnte im Hinblick auf die Entwicklung neuartiger Syntheseprozesse für Chemikalien äußerst nützlich sein. Die biotechnologische Produktion des Antibiotikums Roseoflavin rückt jetzt in greifbare Nähe. Besonders spannend ist, dass wir zeigen konnten, dass RosB den Cofaktor Thiamin für diese einzigartige Reaktionskaskade benötigt. Die genaue Aufgabe von Thiamin bleibt jedoch noch unklar. Die Aufklärung der Rolle des Thiamins könnte dabei zu einem neuen Verständnis der Aufgaben von Cofaktoren führen. Darüber hinaus bleibt noch die Frage welche Phosphatase für die Umwandlung von AFP zu AF verantwortlich ist. Wir erwarten hier ein hochspezifisches Enzym. Auch glauben wir, dass diese Phosphatase mit dem Enzym RosA interagiert, um eine Freisetzung von toxischem AFP im Cytoplasma zu verhindern. Wir waren sehr überrascht, dass nur ein Enzym für die Umwandlung von RP in AFP verantwortlich ist. Ursprünglich nahmen wir an, dass mehrere Enzyme für diese komplexe Reaktion verantwortlich sein müssen. Eine konkurrierende Arbeitsgruppe kam zu demselben Ergebnis (I. Jhulki, P. K. Chanani, S. H. Abdelwahed, T. P. Begley, 2016) was eine schöne Bestätigung unserer eigenen Arbeit ist. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass wir zuerst publizieren konnten. Eine weitere große Überraschung war dass der Cofaktor Thiamin für die RosB-Reaktion benötigt wird. Diesen spannenden Aspekt wollen wir weiter untersuchen. Möglicherweise finden wir eine noch unbekannte Rolle für diesen bekannten Cofaktor. Vielleicht ist aber auch eine völlig neue, Thiamin ähnliche Verbindung für diese Katalyse mitverantwortlich.

Publications

• Identifizierung des Enzyms RosB und Verfahren zur Umwandlung eines Methyl-substituierten Aromaten in einen Aminosubstituierten Aromaten unter Verwendung dieses Enzyms. DE10 2015 011 530. IPC C12N9/00; C12N15/52
  Mack, M. , Schwarz, J. & Konjik, V.
  
• Identification of the Key Enzyme of Roseoflavin Biosynthesis. Angewandte Chemie International Edition, 55(20), 6103-6106.
  Schwarz, Julia; Konjik, Valentino; Jankowitsch, Frank; Sandhoff, Roger & Mack, Matthias
  
• The Crystal Structure of RosB: Insights into the Reaction Mechanism of the First Member of a Family of Flavodoxin‐like Enzymes. Angewandte Chemie International Edition, 56(4), 1146-1151.
  Konjik, Valentino; Brünle, Steffen; Demmer, Ulrike; Vanselow, Amanda; Sandhoff, Roger; Ermler, Ulrich & Mack, Matthias