Regulation und Mechanismen der Terpenbiosynthese

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Groll
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542938137

Terpene sind die größte Naturstoffklasse und von immenser biologischer Bedeutung. Trotz ihrer chemischen Vielfalt bestehen sie nur aus den beiden isomeren Bausteinen Dimethylallyldiphosphat (DMAPP, C5) und Isopentenyldiphosphat (IPP, C5). In unserem beantragten Forschungsvorhaben beschäftigt sich Projekt 1 mit Isoprenyldiphosphat-Synthasen (IDS), die DMAPP mit unterschiedlich vielen IPP-Molekülen zu C5n-Vorstufen kondensieren und nach der Kettenlänge ihrer Endprodukte eingeteilt werden. So reguliert Phaedon cochleariae (Pc) über IDS1 eindrucksvoll den Fluss von Terpenbausteinen in Abhängigkeit von Metallionen, um einerseits Abwehrstoffe über Geranyldiphosphat (GPP, C10) im Larvenstadium und andererseits Farnesyldiphosphat (FPP, C15) für die Hormonbiosynthese zur Metamorphose bereitzustellen. Der Käfer besitzt jedoch auch andere IDS-Enzyme, die mehr als 80% Sequenzidentität mit PcIDS1 aufweisen, sich jedoch im Ligandenbindungskanal und im molekularen Schalter, der Substrat, Produkt und Metallionenspezifität koordiniert, unterscheiden. Neben den PcIDS-Enzymen sind die Geranylgeranyl- (GGPPS, C20) und die Geranylfarnesyl-diphosphat-Synthase (GFPPS, C25) von besonderem Interesse. So baut GFPPS aus DMAPP und vier sequenziell angehängten IPP-Molekülen eine C25-Isopreneinheit auf, die als Startereinheit für eine neue Klasse von Sesterterpen-Naturstoffen dient. Für jede IDS werden wir die allosterische Regulation durch zweiwertige Metallionen und Mechanismen welche die Kettenlänge des Reaktionsproduktes bestimmen, untersuchen. Projekt 2 befasst sich mit der Biosynthese hochkomplexer kondensierter Kohlenwasserstoffe, die das Grundgerüst der Terpenoide bilden. Insbesondere wollen wir strukturelle und mechanistische Einblicke in die intramolekulare Zyklisierungskaskade von Klasse I Terpenzyklasen (TCs) gewinnen, eine der komplexesten enzymatischen Reaktionen in der Natur. Mit Hilfe von chemisch synthetisierten Substraten und Surrogaten sollen nun die Reaktionswege von den Sesquiterpenen Muurolol, Cubenol, Germacrene A, Isoafricanol, Pristinol und Isoishwarane aufgeklärt werden. Röntgenkristallographische Untersuchungen werden durch Enzym-aktivitätstests ergänzt, und die Produktmuster mit GC/MS- und NMR-Techniken analysiert. Darüber hinaus werden theoretische Berechnungen zur Energetik möglicher Reaktionswege durchgeführt um innovative Konzepte für das Enzym-Engineering zu entwickeln. Basierend auf diesen Ergebnissen sind ortsgerichtete Mutagenese-Experimente geplant, um TCs für zukünftige semisynthetische Anwendungen zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen