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Biotechnologische Produktion von Roseoflavin und 8-Demethyl-8-amino-riboflavin

Kurzfassung

Flavinanaloga sind eine Klasse antimikrobieller Verbindungen, die prinzipiell auch als Zytostatika Verwendung finden. Die einzigen bekannten natürlichen Flavinanaloga, die antibiotische Aktivität aufweisen, sind Roseoflavin und dessen direkte Vorstufe 8-Demethyl-8-amino-riboflavin, deren Biosyntheseweg nun durch Wissenschaftler der Hochschule Mannheim geklärt werden konnte. Die Ein-Schritt-Synthese von phosphoryliertem 8-Demethyl-8-amino-riboflavin aus FMN findet an dem jetzt charakterisierten Enzym RosB statt. Durch die Ergebnisse der Forschungsarbeit wird erstmals die biotechnologische Synthese und damit die wirtschaftliche industrielle Produktion von 8-Demethyl-8-amino-riboflavin möglich. Darüber hinaus wiesen die Wissenschaftler nach, dass RosB eine bislang unbekannte Reaktion, nämlich den Austausch einer Methylgruppe gegen eine Aminogruppe, katalysiert. Diese Erkenntnis kann völlig neue Synthesestrategien für Aromaten eröffnen.

Hintergrund

Flavinanaloga sind eine neue Klasse antimikrobieller Verbindungen, die prinzipiell auch als Zytostatika Verwendung finden. Die einzigen bekannten natürlichen Flavinanaloga, die antibiotische Aktivität aufweisen, sind Roseoflavin und dessen direkte Vorstufe 8-Demethyl-8-amino-riboflavin. Roseoflavin wirkt wachstumshemmend auf Gram-positive Mikroorganismen, so hemmt es z. B. die Reifung von Plasmodium falciparum, dem Erreger von Malaria beim Menschen.
Die Identifizierung des Enzyms RosB, das die Ein-Schritt-Synthese von 8-Demethyl-8-amino-riboflavin aus Flavinmononukleotid (FMN) durchführt, macht jetzt erstmals die biotechnologische Synthese und damit die wirtschaftliche industrielle Produktion dieser Flavinanaloga möglich.

Problemstellung

Im Stand der Technik ist bekannt, dass Roseoflavin aus Riboflavin synthetisiert wird. Weiter ist bekannt, dass das Enzym RosA die zweifache Methylierung von 8-Demethyl-8-amino-riboflavin katalysiert und Roseoflavin bildet.
Bislang war allerdings die Biosynthese der Zwischenstufe 8-Demethyl-8-amino-riboflavin unklar, insbesondere welche Gene an der Synthese beteiligt sind. Deshalb war die enzymatische Synthese von 8-Demethyl-8-amino-riboflavin bisher nicht möglich. Die chemische Synthese von Roseoflavin ist möglich, aber sehr aufwendig und teuer.

Lösung

Wissenschaftler der Hochschule Mannheim konnten nun nachweisen, dass die Synthese von 8-Demethyl-8-amino-riboflavin von einem einzigen Gen, das rosB genannt wurde, abhängig ist. Weiterhin charakterisierten sie das Enzym RosB, an dem die komplette Synthese von phosphoryliertem 8-Demethyl-8-amino-riboflavin aus FMN stattfindet. Beispielsweise ist die Expression der Gene rosA und rosB in Escherichia coli jetzt möglich und damit die biotechnologische Herstellung von Roseoflavin.
Der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Mack gelang aber nicht nur die Klärung der Biosynthese als Grundvoraussetzung für die enzymatische Synthese von 8-Demethyl-8-amino-riboflavin und somit von Roseoflavin, sondern auch der Nachweis, dass RosB eine vollkommen neue Reaktion, nämlich die Demethylierung von FMN und die Einführung einer Aminogruppe katalysiert. Diese Erkenntnis kann völlig neue Synthesestrategien für Aromaten ermöglichen.

Chemische Struktur der Flavinanaloga Roseoflavin und 8-Demethyl-8-amino-riboflavin
Chemische Struktur der Flavinanaloga Roseoflavin (links) und 8-Demethyl-8-amino-riboflavin (rechts). Beide Verbindungen hemmen das Wachstum des Indikatorbakteriums Bacillus subtilis.
Hemmzone am Beispiel

Vorteile

  • Ein-Schritt-Synthese von 8-Demethyl-8-amino-riboflavin aus Flavinmononukleotid (FMN)
  • Kostengünstige und ressourcenschonende biotechnologische Synthese von Roseoflavin
  • Regioselektiver Austausch einer Methylgruppe gegen eine Aminogruppe an einem Aromaten
  • Neue Synthesestrategien für Aromaten

Anwendungsbereiche

Biotechnologische Produktion von Roseoflavin und 8-Demethyl-8-amino-riboflavin

Exposé
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Entwicklungsstand
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Patentsituation
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Referenznummer
14/116TLB
Service
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