Technische Cytochalasan-Biosynthese für die Herstellung neuer molekularer Werkzeuge

• Antragsteller: Professor Dr. Russell J. Cox
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 567649639

Cytochalasane sind Pilzmetaboliten, die als potente Liganden für eukaryotisches Aktin dienen und wichtige Werkzeuge für die Untersuchung der Aktinbiochemie in vitro sowie für zellbiologische Studien zur Zellmotilität und Metastasierung in vivo darstellen. Ihre Verfügbarkeit ist jedoch begrenzt, was den Fortschritt in diesen Bereichen behindert hat. Im Rahmen der ersten Phase dieses Projekts wurde eine effektive Plattform zur totalen Biosynthese von Cytochalasanen in Aspergillus nidulans etabliert, die die Synthese von Cytochalasanen durch die Assemblierung biosynthetischer Gene ermöglicht. Neue Cytochalasane können so wesentlich schneller produziert werden als durch synthetische Chemie, allerdings mit begrenzter chemischer Diversität. Dieses Projekt strebt an, die Produktionsplattform in eine Ingenieurplattform umzuwandeln und die Grenzen des Struktur-Engineerings zu testen. Das Vorhaben verfolgt zwei Hauptziele. Erstens soll der aminosäureabgeleitete Teil des Cytochalasan-Skeletts variiert werden, indem die Adenylierungsdomäne (A-Domäne) des nicht-ribosomalen Peptidsynthetase-Moduls der Cytochalasan-Synthetase systematisch untersucht und verändert wird. Pilzliche A-Domänen haben bisher weniger Aufmerksamkeit erhalten als die entsprechenden Katalysatoren in Bakterien, und ihre Selektivitäten sind nur in groben Zügen verstanden. Wir werden die A-Domänen systematisch variieren und gestalten, um neue Cytochalasan-Skelette zu gewinnen und neue Erkenntnisse über deren Selektivitäten zu erlangen. Neue Verbindungen werden in Zusammenarbeit mit Partnern auf ihre biologische Aktivität in vitro und in vivo getestet. Auch in vitro-Studien zur Substratselektivität der A-Domänen mit bereits verfügbaren Substraten und Assays sind geplant. Zweitens zielt das Projekt darauf ab die wesentlichen Knoevenagel- und Diels-Alder-Ringbildungsprozesse zu verstehen, die den charakteristischen Hexahydroisoindolon-Kern der Cytochalasane aufbauen. Obwohl die Chemie dieser Schritte auf dem Papier einfach erscheint, bestehen wesentliche biochemische Fragen zur Steuerung dieser Prozesse, um thermochemische Nebenwege zu vermeiden, die in Abwesenheit von Proteinkatalysatoren auftreten können. Wir werden in vitro die Biochemie der PyiE/PyiF-Proteine untersuchen und mit Strukturbiologen in Hannover (Köhnke-Gruppe) zusammenarbeiten, um strukturelle Details der ringbildenden Enzyme und pilzlichen A-Domänen zu erfassen. Insgesamt werden wir: neues Wissen über die Selektivität von pilzlichen A-Domänen generieren; neue Methoden für die schnelle totale Biosynthese und das Engineering von Naturstoffen entwickeln; neue Cytochalasane mit hohem Potenzial als Werkzeuge zur Untersuchung der in vitro und in vivo Aktinaktivität herstellen; und neue Informationen über die biochemischen Schritte der aufeinanderfolgenden Knoevenagel- und Diels-Alder-Cyclisierungen während der Cytochalasan-Biosynthese entdecken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Dr. Jennifer Gerke