Synthesis of isotopically labelled terpene precursors for structure elucidation of terpenes and investigation of mechanistic aspects of their biosynthesis

• Applicant: Professor Dr. Jeroen Dickschat
• Subject Area: Biological and Biomimetic Chemistry ; Organic Molecular Chemistry - Synthesis and Characterisation
• Term: from 2015 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 271721844

• Final Report Year: 2024

Final Report Abstract

Im durchgeführten Projekt wurden verschiedene Aspekte der Terpenbiosynthese untersucht. Zum Einen wurden diverse Substratanaloga synthetisiert und mit verschiedenen Terpensynthasen zum Umsatz gebracht. In den meisten untersuchten Fällen führte dieser Ansatz zur Bildung neuer Produkte, die isoliert und strukturell aufgeklärt werden konnten. Oftmals zeigte sich mit den Substratanaloga eine veränderte Reaktivität, so dass Terpenoide mit neuen Skeletten erhalten werden konnten. Die diversen aus dem Projekt hervorgegangenen Beispiele zeigen eindrucksvoll, dass die strukturelle Variationen in Terpenvorläufern ein vielversprechender und effizienter Ansatz zu einem neuen Strukturraum ist. Weiterhin wurde eine Vielzahl neuer Terpensynthasen aus Bakterien, Pilzen und Pflanzen identifiziert. Es zeigte sich, dass der generell verwendete Ansatz des Genome-Minings die Tür zu diversen neuen Terpenen mit teils sehr ungewöhnlichen Strukturen öffnen kann. Für alle untersuchten neuen Terpensynthasen wurden die Cyclisierungsmechanismen durch extensive Isotopenmarkierungsexperimente untersucht. In einigen Fällen wurden diese Arbeiten durch DFT-Rechnungen unterstützt. Die absoluten Konfigurationen aller neu isolierten Terpene wurden durch stereoselektive Deuterierungen aufgeklärt. Ein besonders wichtiges Ergebnis ist die erste Beschreibung von Triterpensynthasen des Typs I inklusive ihrer Strukturen, die Farnesylfarnesyldiphosphat als Substrat umsetzen. Weitere Arbeiten wurden zum Cyclisierungsmechanismus und zu den Enzymstrukturen bereits bekannter Terpensynthasen durchgeführt. Außerdem sind Isotopenmarkierungsexperimente zum Einsatz gekommen, um den EI-MS-Fragmentierungsmechanismus einer Reihe von Terpenen zu studieren, und letztlich wurden strukturbasierte ortsgerichtete Mutagenesen an ausgewählten Terpensynthasen durchgeführt, die zu neuen Produkten geführt haben. In der Summe sind die umfassenden Erkenntnisse aus dem durchgeführten Projekt von hoher Bedeutung für die Entwicklung des Gebietes der Terpenbiosynthese.

Publications

• Biosynthetic Gene Cluster for Asperterpenols A and B and the Cyclization Mechanism of Asperterpenol A Synthase. Organic Letters, 22(19), 7552-7555.
  Quan, Zhiyang & Dickschat, Jeroen S.
  
• Diterpene Biosynthesis in Catenulispora acidiphila: On the Mechanism of Catenul‐14‐en‐6‐ol Synthase. Angewandte Chemie International Edition, 60(3), 1488-1492.
  Li, Geng; Guo, Yue‐Wei & Dickschat, Jeroen S.
  
• On the mass spectrometric fragmentations of the bacterial sesterterpenes sestermobaraenes A–C. Beilstein Journal of Organic Chemistry, 16, 2807-2819.
  Hou, Anwei & Dickschat, Jeroen S.
  
• On the mechanism of ophiobolin F synthase and the absolute configuration of its product by isotopic labelling experiments. Organic & Biomolecular Chemistry, 18(31), 6072-6076.
  Quan, Zhiyang & Dickschat, Jeroen S.
  
• Revision of the Cyclisation Mechanism for the Diterpene Spiroviolene and Investigations of Its Mass Spectrometric Fragmentation. ChemBioChem, 22(5), 850-854.
  Xu, Houchao & Dickschat, Jeroen S.
  
• The Biosynthetic Gene Cluster for Sestermobaraenes—Discovery of a Geranylfarnesyl Diphosphate Synthase and a Multiproduct Sesterterpene Synthase from Streptomyces mobaraensis. Angewandte Chemie International Edition, 59(45), 19961-19965.
  Hou, Anwei & Dickschat, Jeroen S.
  
• Two Diterpene Synthases from Chryseobacterium: Chryseodiene Synthase and Wanjudiene Synthase. Angewandte Chemie International Edition, 59(29), 11943-11947.
  Lauterbach, Lukas; Goldfuss, Bernd & Dickschat, Jeroen S.
  
• 1,2‐ or 1,3‐Hydride Shifts: What Controls Guaiane Biosynthesis?. Chemistry – A European Journal, 27(38), 9758-9762.
  Xu, Houchao; Goldfuss, Bernd & Dickschat, Jeroen S.
  
• Functional Switch and Ethyl Group Formation in the Bacterial Polytrichastrene Synthase from Chryseobacterium polytrichastri. Angewandte Chemie International Edition, 60(38), 20781-20785.
  Hou, Anwei; Goldfuss, Bernd & Dickschat, Jeroen S.
  
• Isoishwarane synthase from Streptomyces lincolnensis. Organic Chemistry Frontiers, 8(6), 1177-1184.
  Xu, Houchao; Rinkel, Jan & Dickschat, Jeroen S.
  
• Mechanistic divergence between (4S,7R)-germacra-(1(10)E,5E)-dien-11-ol synthases from Dictyostelium purpureum and Streptomyces coelicolor. Organic & Biomolecular Chemistry, 19(2), 370-374.
  Xu, Houchao; Rinkel, Jan; Chen, Xinlu; Köllner, Tobias G.; Chen, Feng & Dickschat, Jeroen S.
  
• Rerouting and Improving Dauc‐8‐en‐11‐ol Synthase from Streptomyces venezuelae to a High Yielding Biocatalyst. Chemistry – A European Journal, 27(29), 7923-7929.
  Lauterbach, Lukas; Hou, Anwei & Dickschat, Jeroen S.
  
• Stereochemical characterisation of the non-canonical α-humulene synthase from Acremonium strictum. Organic & Biomolecular Chemistry, 19(39), 8482-8486.
  Xu, Houchao; Schotte, Carsten; Cox, Russell J. & Dickschat, Jeroen S.
  
• Targeting active site residues and structural anchoring positions in terpene synthases. Beilstein Journal of Organic Chemistry, 17, 2441-2449.
  Hou, Anwei & Dickschat, Jeroen S.
  
• The EI‐MS Fragmentation Mechanisms of the Bacterial Diterpenes Polytrichastrene A and Wanju‐2,5‐diene. European Journal of Organic Chemistry, 2021(46), 6417-6423.
  Hou, Anwei & Dickschat, Jeroen S.
  
• The mass spectrometric fragmentation mechanisms of catenulane and isocatenulane diterpenes. Organic & Biomolecular Chemistry, 19(10), 2224-2232.
  Li, Geng; Guo, Yue-Wei & Dickschat, Jeroen S.
  
• The Sesquiterpene Synthase PtTPS5 Produces (1S,5S,7R,10R)-Guaia-4(15)-en-11-ol and (1S,7R,10R)-Guaia-4-en-11-ol in Oomycete-Infected Poplar Roots. Molecules, 26(3), 555.
  Lackus, Nathalie D.; Morawetz, Jennifer; Xu, Houchao; Gershenzon, Jonathan; Dickschat, Jeroen S. & Köllner, Tobias G.
  
• Using Terpene Synthase Plasticity in Catalysis: On the Enzymatic Conversion of Synthetic Farnesyl Diphosphate Analogues. Chemistry – A European Journal, 27(63), 15644-15649.
  Hou, Anwei & Dickschat, Jeroen S.
  
• Catalytic role of carbonyl oxygens and water in selinadiene synthase. Nature Catalysis, 5(2), 128-135.
  Wang, Yong-Heng; Xu, Houchao; Zou, Jian; Chen, Xian-Bo; Zhuang, Yu-Qing; Liu, Wei-Liang; Celik, Ersin; Chen, Guo-Dong; Hu, Dan; Gao, Hao; Wu, Ruibo; Sun, Ping-Hua & Dickschat, Jeroen S.
  
• Crystal Structure Based Mutagenesis of Cattleyene Synthase Leads to the Generation of Rearranged Polycyclic Diterpenes. Angewandte Chemie International Edition, 61(36).
  Xing, Baiying; Xu, Houchao; Li, Annan; Lou, Tingting; Xu, Meng; Wang, Kaibiao; Xu, Zhengren; Dickschat, Jeroen S.; Yang, Donghui & Ma, Ming
  
• Deceptive Complexity in Formation of Cleistantha-8,12-diene. Organic Letters, 24(14), 2646-2649.
  Liang, Jin; Merrill, Amy T.; Laconsay, Croix J.; Hou, Anwei; Pu, Qingyu; Dickschat, Jeroen S.; Tantillo, Dean J.; Wang, Qiang & Peters, Reuben J.
  
• Discovery of non-squalene triterpenes. Nature, 606(7913), 414-419.
  Tao, Hui; Lauterbach, Lukas; Bian, Guangkai; Chen, Rong; Hou, Anwei; Mori, Takahiro; Cheng, Shu; Hu, Ben; Lu, Li; Mu, Xin; Li, Min; Adachi, Naruhiko; Kawasaki, Masato; Moriya, Toshio; Senda, Toshiya; Wang, Xinghuan; Deng, Zixin; Abe, Ikuro; Dickschat, Jeroen S. & Liu, Tiangang
  
• Diterpene Biosynthesis from Geranylgeranyl Diphosphate Analogues with Changed Reactivities Expands Skeletal Diversity. Angewandte Chemie International Edition, 61(43).
  Li, Heng & Dickschat, Jeroen S.
  
• Enzymatic Synthesis of Variediene Analogs. Chemistry – A European Journal, 28(15).
  Liang, Lin‐Fu & Dickschat, Jeroen S.
  
• Isotopic Labeling Experiments Solve the Hedycaryol Problem. Organic Letters, 24(2), 587-591.
  Xu, Houchao; Lackus, Nathalie D.; Köllner, Tobias G. & Dickschat, Jeroen S.
  
• Isotopic labelling experiments and enzymatic preparation of iso-casbenes with casbene synthase from Ricinus communis. Organic Chemistry Frontiers, 9(3), 795-801.
  Li, Heng & Dickschat, Jeroen S.
  
• Mechanism of the Bifunctional Multiple Product Sesterterpene Synthase AcAS from Aspergillus calidoustus. Angewandte Chemie International Edition, 61(13).
  Quan, Zhiyang; Hou, Anwei; Goldfuss, Bernd & Dickschat, Jeroen S.
  
• Mechanistic Characterisation and Engineering of Sesterviolene Synthase from Streptomyces violens. Angewandte Chemie International Edition, 62(1).
  Gu, Binbin; Goldfuss, Bernd & Dickschat, Jeroen S.
  
• The enzyme mechanism of patchoulol synthase. Beilstein Journal of Organic Chemistry, 18, 13-24.
  Xu, Houchao; Goldfuss, Bernd; Schnakenburg, Gregor & Dickschat, Jeroen S.
  
• A Detailed View on Geosmin Biosynthesis. ChemBioChem, 24(12).
  Xu, Houchao & Dickschat, Jeroen S.
  
• Structural Insights into Three Sesquiterpene Synthases for the Biosynthesis of Tricyclic Sesquiterpenes and Chemical Space Expansion by Structure-Based Mutagenesis. Journal of the American Chemical Society, 145(15), 8474-8485.
  Lou, Tingting; Li, Annan; Xu, Houchao; Pan, Jingfeng; Xing, Baiying; Wu, Ruibo; Dickschat, Jeroen S.; Yang, Donghui & Ma, Ming