సహజ ఉత్పత్తుల యొక్క “అసహజ” బయోసింథసిస్
సరళమైన, ప్రాధమిక జీవక్రియల నుండి ఒక ప్రాథమిక పాలికెటైడ్ పరంజా యొక్క అసెంబ్లీ కొవ్వు ఆమ్ల బయోసింథెసిస్‌ను పోలి ఉంటుంది: పెరుగుతున్న పాలికెటైడ్ గొలుసు మరియు ప్రత్యామ్నాయ మలోనిల్ మోనోథియోస్టర్ మధ్య క్లైసెన్ లాంటి ఘనీభవనాలు.
పాలికెటైడ్ కుటుంబంలో గమనించిన నిర్మాణ వైవిధ్యం టైలరింగ్ ఎంజైమ్‌ల సమూహం ద్వారా పాలికెటైడ్ గొలుసును సవరించడం ద్వారా విస్తరించబడుతుంది.
1.1 పాలికెటైడ్ అసెంబ్లీ పాలికెటైడ్స్‌ను సమిష్టిగా పాలికెటైడ్ సింథేస్ అని పిలిచే ఎంజైమ్‌ల సమూహం బయోసింథసైజ్ చేస్తుంది.
1.2 పాలికెటైడ్ సింథేసెస్ యొక్క మూడు ప్రధాన తరగతులు వైవిధ్యాలు ఉన్నప్పటికీ, పాలికెటైడ్ సింథేస్‌లను వాటి మొత్తం నిర్మాణం ఆధారంగా విస్తృతంగా మూడు వర్గాలుగా వర్గీకరించవచ్చు.
పాలికెటైడ్ల యొక్క ప్రతి తరగతి కోసం, మేము బయోసింథటిక్ జన్యువుల యొక్క జన్యు లక్షణాలను మరియు కోర్ ఎంజైమ్‌ల యొక్క ప్రాథమిక జీవరసాయన శాస్త్రాన్ని వివరిస్తాము మరియు PKS యొక్క తారుమారు అసహజ పాలికెటైడ్ల యొక్క జీవసంశ్లేషణకు ఎలా దారితీస్తుందో ఉదాహరణలతో అనుసరిస్తాము.
స్ట్రెప్టోమైసెస్ కోలికోలర్ 18 యొక్క ఉత్పన్నంలో హోస్ట్ / వెక్టర్ వ్యవస్థ అభివృద్ధి చేయబడింది, దీని నుండి ప్రాధమిక ఎండోజెనస్ పాలికెటైడ్ మార్గం తొలగించబడింది, అందువల్ల భిన్నమైన PKS జన్యువులను వ్యక్తీకరించడానికి మరియు విశ్లేషించడానికి "శుభ్రమైన" నేపథ్యాన్ని అందిస్తుంది.
షటిల్ వెక్టర్ ఉపయోగించి, పికెఎస్ జన్యువులను ఎస్చెరిచియా కోలిలో వేగంగా మార్చవచ్చు మరియు పాలికెటైడ్ బయోసింథసిస్ కోసం CH999 గా మార్చవచ్చు.
తుది మాడ్యూల్ యొక్క సి-టెర్మినస్ వద్ద థియోస్టెరేస్ డొమైన్ తరచుగా ఉంటుంది, ఇది పాలికెటైడ్ యొక్క విడుదల మరియు మాక్రోసైక్లైజేషన్‌ను ఉత్ప్రేరకపరుస్తుంది.
ప్రతి మాడ్యూల్ పాలికెటైడ్ గొలుసు యొక్క అసెంబ్లీలో ఒక నిర్దిష్ట దశకు బాధ్యత వహిస్తుంది మరియు గొలుసు పొడిగింపు సమయంలో ఒక్కసారి మాత్రమే ఉపయోగించబడుతుంది.
పర్యవసానంగా, పాలికెటైడ్ యొక్క పొడవు PKS లో ఉన్న మొత్తం మాడ్యూళ్ళ ద్వారా నిర్దేశించబడుతుంది. మాక్రోలైడ్‌లోని విభిన్న β- కార్బన్‌ల యొక్క ఆక్సీకరణ స్థితులు సంబంధిత మాడ్యూల్‌లో ఉన్న తగ్గింపు డొమైన్‌ల కలయిక ఆధారంగా తక్షణమే అంచనా వేయవచ్చు.
పాలికెటైడ్ ఇంటర్మీడియట్‌ను అప్‌స్ట్రీమ్ మాడ్యూల్ నుండి కాగ్నేట్ డౌన్‌స్ట్రీమ్ మాడ్యూల్‌కు సరైన బదిలీ చేయడానికి లింకర్‌లు చాలా ముఖ్యమైనవి.
లింకర్-లింకర్ పరస్పర చర్యల యొక్క ఆవిష్కరణ హైబ్రిడ్ పాలికెటైడ్స్ యొక్క జీవసంశ్లేషణ కోసం మొత్తం మాడ్యూళ్ళ యొక్క భిన్నమైన పున omb సంయోగాన్ని అనుమతించింది.
2.3.2 మాడ్యూల్ ఇంజనీరింగ్ కాంబినేటోరియల్ బయోసింథసిస్ కోసం ఒక ప్రత్యామ్నాయ వ్యూహం ఏమిటంటే, PKS లో చెక్కుచెదరకుండా ఉన్న మాడ్యూళ్ళను క్రమాన్ని మార్చడం లేదా వివిధ PKS ల నుండి మాడ్యూళ్ళను కలపడం. నవల పాలికెటైడ్లను రూపొందించడానికి విజయవంతంగా ఉపయోగించిన ప్రయోగాలలో మాడ్యూల్ తొలగింపు, 13,37,47-49 మాడ్యూల్ పునర్వ్యవస్థీకరణ మరియు వైవిధ్య మాడ్యూల్ షఫ్లింగ్ ఉన్నాయి.
అదనపు పాలికెటైడ్ వైవిధ్యాలను ఇవ్వడానికి డొమైన్ షఫ్లింగ్ మాడ్యూల్ షఫ్లింగ్‌తో కలిపి ఉంది.
[39] ఈ కత్తిరించబడిన పాలికెటైడ్ల నిర్మాణం TE ను వేర్వేరు మాడ్యూళ్ళకు అనుసంధానించవచ్చు మరియు వేర్వేరు ఉపరితలాల వైపు థియోస్టెరేస్‌గా సరిగా పనిచేస్తుందని చూపిస్తుంది; దిగువ మాడ్యూల్స్ అప్‌స్ట్రీమ్ మాడ్యూళ్ల పనితీరుపై ప్రభావం చూపవు; మరియు కెటోసింథేసెస్ వివిధ పొడవు మరియు తగ్గింపు స్థితుల యొక్క పాలికెటైడ్ మధ్యవర్తుల వైపు సబ్‌స్ట్రేట్ ప్రత్యేకతలను సడలించింది.
వైవిధ్య PKS ల నుండి చెక్కుచెదరకుండా ఉన్న మాడ్యూళ్ళ యొక్క పెద్ద-స్థాయి అసెంబ్లీ బహుశా కాంబినేటోరియల్ పాలికెటైడ్ బయోసింథసిస్ యొక్క అంతిమ లక్ష్యం.
Qxd 2/4/2006 2:45 PM పేజీ 68 ఆన్‌లైన్‌లో చూడండి 68 చాప్టర్ 3 మాక్రోలైడ్‌లు బయోఆక్టివ్ పాలికెటైడ్ల లైబ్రరీని ఇవ్వడానికి వివిధ PKS లతో అనుబంధించబడిన దిగువ టైలరింగ్ ఎంజైమ్‌ల ద్వారా మరింత మార్పు చేయబడ్డాయి.
హైబ్రిడ్ పికెఎస్ బెంజాయిక్ ఆమ్లాన్ని స్టార్టర్ యూనిట్‌గా సక్రియం చేయగలిగింది మరియు E. కోలి .19 లో expected హించిన బెంజైల్-ప్రత్యామ్నాయ 6-డిఇబిని సంశ్లేషణ చేయగలిగింది. డొమైన్ మరియు మాడ్యూల్ షఫ్లింగ్ సహజంగా ఉత్పత్తి చేయని కొత్త పాలికెటైడ్లను కొనుగోలు చేయగలిగినప్పటికీ, ఆ పద్ధతుల ద్వారా ప్రవేశపెట్టిన వైవిధ్యాలు సహజ బిల్డింగ్ బ్లాకుల సాపేక్షంగా చిన్న కొలను ద్వారా ఇప్పటికీ పరిమితం చేయబడ్డాయి.
సింథటిక్ కెమిస్ట్రీ ద్వారా అందుబాటులో ఉన్న విస్తారమైన రసాయన స్థలాన్ని మరియు బయోసింథసిస్ యొక్క సున్నితమైన ఖచ్చితత్వాన్ని కలపడానికి, టైప్ I పికెఎస్ కోసం పూర్వగామి-దర్శకత్వం వహించిన బయోసింథసిస్ అభివృద్ధి చేయబడింది .55 క్లుప్తంగా, పూర్వగామి-దర్శకత్వం వహించిన బయోసింథసిస్ అనేది ప్రారంభ పాలికెటైడ్ ఇంటర్మీడియట్‌ను అనుకరించే నవల ప్రైమర్ యూనిట్లు PKS కు బాహ్యంగా సరఫరా చేయబడింది. సింథటిక్ ఉపరితలం PKS చేత దిగువ మాడ్యూల్స్ ద్వారా పొడిగించబడుతుంది మరియు అసహజ పాలికెటైడ్ను ఇస్తుంది.
3 3.1 టైప్ II పాలికెటైడ్ సింథేసెస్ డిసోసియేటెడ్ ఆర్కిటెక్చర్ టైప్ II పాలికెటైడ్ సింథేసెస్ ఆరోమాటిక్ పాలికెటైడ్లను సంశ్లేషణ చేస్తుంది, వీటిలో వైద్యపరంగా ముఖ్యమైన టెట్రాసైక్లిన్, డౌనోరుబిసిన్ మరియు మిథ్రామైసిన్ ఉన్నాయి.
[68] సుగంధ పాలికెటైడ్ల బయోసింథసిస్‌ను మూడు దశలుగా విభజించవచ్చు: కనీస PKS మాడ్యూల్ ద్వారా పూర్తి పాలికెటైడ్ గొలుసు యొక్క అసెంబ్లీ; 18 నాస్సెంట్ పాలికెటైడ్ యొక్క అసెంబ్లీ పూర్తయిన తర్వాత ఇంటర్మీడియట్ టైలరింగ్ ఎంజైమ్‌ల ద్వారా పాలికెటైడ్ యొక్క తగ్గింపు, సుగంధీకరణ మరియు సైక్లైజేషన్; ప్రతి PKS.27 కు ప్రత్యేకమైన అదనపు ఎంజైమ్‌ల ద్వారా సైక్లైజ్డ్ పాలికెటైడ్ల పూర్తి అలంకరణ. సుగంధ పాలికెటైడ్ బయోసింథసిస్ గురించి మనకు తెలిసిన వాటిలో చాలావరకు, ముఖ్యంగా మొదటి రెండు దశలు, వివిధ రకం II PKS ల నుండి భిన్నమైన ఎంజైమ్‌లతో మిక్స్-అండ్-మ్యాచ్ ప్రయోగాల నుండి ఉత్పన్నమవుతాయి. comp ను తిరిగి కలపడానికి వేర్వేరు PKS ల నుండి వచ్చినవారు అసహజమైన సుగంధ పాలికెటైడ్ల యొక్క పెద్ద సేకరణను కూడా పొందారు.
కనీస PKS యొక్క పనితీరుకు KS-CLF హెటెరోడైమర్ నిర్మాణం అవసరం. KS యొక్క క్రియాశీల-సైట్ సిస్టీన్ వద్ద డెకార్బాక్సిలేటివ్ సంగ్రహణ జరుగుతుంది. క్రిస్టల్ నిర్మాణం KS-CLF కాంప్లెక్స్ ఇటీవలే స్పష్టం చేయబడింది, ఇది KS లోని ఒక ఉపరితల సొరంగంను వెల్లడిస్తుంది, దీనిలో గొలుసు పొడిగింపు సమయంలో పెరుగుతున్న పాలికెటైడ్ గొలుసును వెలికి తీయవచ్చు.
పాలికెటైడ్ ఉత్పత్తి పరిమాణాన్ని బట్టి, సొరంగం CLF లోకి విస్తరించవచ్చు. క్రియాశీల-సైట్ సిస్టీన్ లేకపోవడం యొక్క ముఖ్యమైన వ్యత్యాసంతో CLF అధిక శ్రేణి హోమోలజీని ప్రదర్శిస్తుంది, ఇక్కడ బదులుగా గ్లూటామైన్ కనుగొనబడుతుంది. 73 ఉత్ప్రేరకంగా నిశ్శబ్దమైన CLF గొలుసు పొడిగింపు సమయంలో పాలికెటైడ్ యొక్క పొడవును నిర్ణయించడంలో సమగ్రంగా పాల్గొంటుంది. ఉత్ప్రేరక చక్రాలు.
ఎగువ: ఎసిటేట్ ప్రైమ్డ్ పికెఎస్; దిగువ: nonacetete primed PKS MAT మాలోనిల్- CoA పట్ల కఠినమైన విశిష్టతను కలిగి ఉంది, ఇది టైప్ II PKS.75 ద్వారా మాలోనిల్ ఎక్స్‌టెండర్ యూనిట్ల యొక్క ప్రత్యేకమైన వినియోగంలో ప్రతిబింబిస్తుంది. ఈ నాలుగు ఎంజైమ్‌లు పూర్తి సంశ్లేషణకు అవసరమైన చిన్న ఎంజైమ్‌లను కలిగి ఉంటాయి. పాలికెటైడ్ గొలుసు.
ఆక్టినోర్హోడిన్ బయోసింథటిక్ మార్గం నుండి కనిష్ట PKS ఎనిమిది మాలోనిల్కోఏ సమానమైన వాటి నుండి ఒక ఆక్టాకెటైడ్ వెన్నెముకను సంశ్లేషణ చేస్తుంది, [76] టెట్రాసెనోమైసిన్ కనిష్ట PKS మాలోనిల్- CoA, 77 యొక్క సమానమైన డెకాకెటైడ్ వెన్నెముకను సంశ్లేషణ చేస్తుంది, [77] CoA.78 చాలా సుగంధ PKS లు మలోనిల్-ఎసిపి యొక్క డీకార్బాక్సిలేషన్ ద్వారా పాలికెటైడ్ బయోసింథసిస్‌ను ప్రారంభిస్తాయి, దీని ఫలితంగా మార్పులేని ఎసిటైల్ ప్రైమర్ యూనిట్ వస్తుంది.
టైప్ I పికెఎస్ ఆర్కిటెక్చర్‌కు విరుద్ధంగా, ఇందులో వ్యక్తిగత తగ్గింపు డొమైన్‌లు మెగాసింథేజ్‌ల అంతటా చెదరగొట్టబడతాయి మరియు ప్రతి రౌండ్ గొలుసు పొడిగింపు తర్వాత పెరుగుతున్న పాలికెటైడ్‌కు అనుగుణంగా ఉంటాయి, టైప్ II పికెఎస్ టైలరింగ్‌కు ముందు పూర్తి పాలికెటైడ్ సంశ్లేషణ.
ప్రతి PKS నుండి స్థిరమైన ఎంజైమ్‌లు పాలికెటైడ్ గొలుసును ప్రాసెస్ చేస్తాయి మరియు వివిధ ఆక్సీకరణ స్థితులు మరియు ప్రత్యామ్నాయాలతో సుగంధ పాలికెటైడ్‌లుగా మారుస్తాయి.
[69] తక్షణ టైలరింగ్ ఎంజైమ్‌ల సేకరణ సాధారణంగా చాలా టైప్ II పికెఎస్‌లో కనిపిస్తుంది; వాటిలో ఇవి ఉన్నాయి: KR, ఇది విభిన్న గొలుసు పొడవు మరియు రెజియోస్పెసిఫికల్‌గా C9 వద్ద ఉన్న కార్బొనిల్‌ను హైడ్రాక్సిల్‌కు తగ్గిస్తుంది; 85 సైక్లేస్, ఇది పాలికెటైడ్ పరంజా యొక్క ఇంట్రామోలెక్యులర్ సైక్లైజేషన్‌ను ఉత్ప్రేరకపరుస్తుంది; చాలా సుగంధ పాలికెటైడ్లలో గమనించిన సంయోగ రింగ్ వ్యవస్థలను ఇవ్వడానికి.
పాలికెటైడ్‌లోని ఇతర కార్బొనిల్స్‌కు ప్రత్యేకమైన అదనపు KR లు అలాగే బహుళ CYC లు మరియు ARO లు కొన్ని PKS లలో కనుగొనవచ్చు, ఇవి పాలికెటైడ్ యొక్క పొడవు మరియు రింగ్ వ్యవస్థల సంక్లిష్టతను బట్టి ఉంటాయి.
3.2 టైప్ II పాలికెటైడ్స్ యొక్క కాంబినేటోరియల్ బయోసింథసిస్ టైప్ II పికెఎస్ మాడ్యూల్స్ సుగంధ పాలికెటైడ్లలో నిర్మాణ వైవిధ్యాన్ని పరిచయం చేయడానికి పునర్నిర్మించబడతాయి: స్టార్టర్ యూనిట్‌ను పేర్కొనే దీక్షా మాడ్యూల్; గొలుసు పొడవును నిర్ణయించే పొడుగు మాడ్యూల్; C9 వద్ద ఆక్సీకరణ స్థితిని మరియు సైక్లైజేషన్ సమయంలో C-C కనెక్టివిటీని నిర్దేశించే తక్షణ టైలరింగ్ ఎంజైములు; మరియు దిగువ టైలరింగ్ ఎంజైములు.
"ప్రోగ్రామింగ్ నియమాలు" పూర్తిగా నవల పాలికెటైడ్ పరంజా యొక్క ఇంజనీరింగ్ బయోసింథసిస్ మరియు సహజ పాలికెటైడ్ల యొక్క అసహజ అనలాగ్లను అనుమతించాయి.
3.2.3 ప్రైమర్ యూనిట్ సవరణలు ప్రత్యామ్నాయ రసాయన కార్యాచరణలను సుగంధ పాలికెటైడ్స్‌లో ప్రవేశపెట్టడానికి ప్రైమర్ యూనిట్ ఒక ఆకర్షణీయమైన సైట్‌ను సూచిస్తుంది, ఎక్కువగా మలోనిల్-ఎసిపి వైపు కనీస పికెఎస్ యొక్క అధిక ఉపరితల విశిష్టత కారణంగా. సుగంధ పాలికెటైడ్ల యొక్క వెన్నెముకలలో ప్రత్యామ్నాయ ఎక్స్‌టెండర్ యూనిట్లు గమనించబడలేదు, నిర్మాణాత్మక మార్పుకు స్టార్టర్ యూనిట్ మాత్రమే ప్రాప్యత చేయగల స్థానం.
సుగంధ పాలికెటైడ్స్‌లో ప్రైమర్ యూనిట్‌ను మార్చడానికి దీక్ష మరియు పొడుగు మాడ్యూళ్ల యొక్క పున omb సంయోగం విజయవంతంగా ఉపయోగించబడింది.
[100] ఈ మాడ్యూళ్ల యొక్క ఫంక్షనల్ అసెంబ్లీ పూర్తిగా కొత్త సుగంధ పాలికెటైడ్ పరంజాల యొక్క జీవసంశ్లేషణతో పాటు తెలిసిన పాలికెటైడ్ల యొక్క రెజియోసెలెక్టివ్ సవరణను సులభతరం చేసింది.
YT46 మరియు YT84 యొక్క ద్విచక్ర నిర్మాణాలు ఇంతకు ముందు పాలికెటైడ్లలో గమనించబడలేదు.
పై అధ్యయనాల నుండి, పొడుగు చక్రాల సంఖ్య కంటే వెన్నెముకలో విలీనం చేయబడిన అణువుల సంఖ్యను లెక్కించడం ద్వారా కనీస PKS పాలికెటైడ్ గొలుసు పొడవును నియంత్రిస్తుందని స్పష్టమవుతుంది.
100 వెన్నెముకలోని చివరి కార్బన్‌ల సంఖ్య C20 వద్ద ఉంది. దీనికి విరుద్ధంగా, KR, ARO మరియు CYC వంటి సహాయక PKS ఎంజైమ్‌లు మొత్తం గొలుసు పొడవు మరియు స్టార్టర్ యూనిట్ యొక్క గుర్తింపుల కంటే పాలికెటైడ్ వెన్నెముకలోని నిర్దిష్ట క్రియాత్మక సమూహాలను గుర్తిస్తాయి.
DHPAS ఒక అసిటేట్-ప్రైమ్డ్ టెట్రాకెటైడ్ను ఇవ్వడానికి నాలుగు మలోనిల్-కోఏలను ఘనీకరిస్తుంది మరియు CHS లో గమనించిన C6-C1 క్లైసెన్ సంగ్రహణను ఉత్ప్రేరకపరుస్తుంది. 4.2 టైప్ III పాలికెటైడ్స్ యొక్క ఇంజనీర్డ్ బయోసింథసిస్ అసహజ పాలికెటైడ్స్‌ను ముందస్తుగా నిర్దేశించిన సంశ్లేషణ మరియు హేతుబద్ధమైన ఉత్పరివర్తన వంటి పద్ధతులను ఉపయోగించి సంశ్లేషణ చేయబడ్డాయి.
అదనంగా ఆకర్షణీయమైన మార్గంపాలికెటైడ్ నిర్మాణాలు మరియు జీవసంబంధ కార్యకలాపాలలో వైవిధ్యం అనేది మూడు వేర్వేరు రకాల పాలికెటైడ్ సింథేజ్‌ల నుండి జీవరసాయన లక్షణాలను స్వీకరించే ఫంక్షనల్, హైబ్రిడ్ సింథేజ్‌ల యొక్క పునరుత్పత్తి ద్వారా.
1039 / 9781847552556-00055 రచయిత యొక్క ప్రయోగశాలలలో పాలికెటైడ్ బయోసింథసిస్ పై పరిశోధనకు నేషనల్ ఇన్స్టిట్యూట్ ఆఫ్ హెల్త్ నుండి మంజూరు చేయబడుతోంది.
The assembly of a basic polyketide scaffold from simple, primary metabolites resembles that of fatty acid biosynthesis: repeated Claisen-like condensations between a growing polyketide chain and a substituted malonyl monothioester.
The structural diversity observed within the polyketide family is amplified via modification of the polyketide chain by a group of tailoring enzymes.
1.1 Polyketide Assembly Polyketides are biosynthesized by a group of enzymes collectively known as polyketide synthase.
1.2 Three Major Classes of Polyketide Synthases Although variations exist, polyketide synthases can be broadly classified into three categories based on their overall architecture.
For each class of polyketides, we will detail the genetic features of the biosynthetic genes and the fundamental biochemistry of the core enzymes, and follow with examples of how manipulation of the PKS can lead to the biosynthesis of unnatural polyketides.
A host/vector system was developed in a derivative of Streptomyces coelicolor18 from which the primary endogenous polyketide pathway had been deleted, hence offering a "Clean" background to express and analyze heterologous PKS genes.
Utilizing a shuttle vector, PKS genes can be rapidly manipulated in Escherichia coli and transformed into CH999 for polyketide biosynthesis.
A thioesterase domain is often present at the C-terminus of the final module, catalyzing the release and macrocyclization of the polyketide.
22 Each module is responsible for a specific step in the assembly of the polyketide chain and is utilized only once during chain extension.
As a result, the length of the polyketide is dictated by the overall number of modules present in the PKS. The oxidation states of the different β-carbons within a macrolide can be readily predicted based on the combination of reductive domains present in the corresponding module.
28 The linkers are especially important for the correct transfer of the polyketide intermediate from an upstream module to a cognate downstream module.
The discovery of linker-linker interactions has allowed the heterologous recombination of entire modules for the biosynthesis of hybrid polyketides.
2.3.2 Module Engineering An alternative strategy for combinatorial biosynthesis is to rearrange intact modules within a PKS or combine modules from different PKSs. Experiments that have been successfully employed to generate novel polyketides include module deletion,13,37,47-49 module rearrangement and heterologous module shuffling.
48 Domain shuffling has been combined with module shuffling to yield additional polyketide variants.
39 Formation of these truncated polyketides shows that the TE can be fused to different modules and function properly as a thioesterase toward different substrates; the downstream modules have no influence on the functions of the upstream modules; and the ketosynthases have relaxed substrate specificities toward polyketide intermediates of varying length and reductive states.
Large-scale assembly of intact modules from heterologous PKSs is perhaps the ultimate goal of combinatorial polyketide biosynthesis.
Qxd 2/4/2006 2:45 PM Page 68 View Online 68 Chapter 3 macrolides were further modified combinatorially by the downstream tailoring enzymes associated with the different PKSs to yield a library of bioactive polyketides.
The hybrid PKS was able to activate benzoic acid as the starter unit and synthesize the expected benzyl-substituted 6-dEB in E. coli.19 Although domain and module shuffling can afford new polyketides that are not produced naturally, the variations introduced via those techniques are still limited by the relatively small pool of natural building blocks.
To combine the vast chemical space accessible through synthetic chemistry and the exquisite precision of biosynthesis, precursor-directed biosynthesis was developed for the Type I PKSs.55 Briefly, precursor-directed biosynthesis is the process in which novel primer units mimicking an early polyketide intermediate are supplied exogenously to the PKS. The synthetic substrate is elongated by the PKS via the downstream modules and yields an unnatural polyketide.
3 3.1 Type II Polyketide Synthases Dissociated Architecture Type II polyketide synthases synthesize aromatic polyketides, including the clinically important tetracycline, daunorubicin and mithramycin.
68 Biosynthesis of aromatic polyketides can be separated into three stages: the assembly of the complete polyketide chain by the minimal PKS module;18 the reduction, aromatization and cyclization of the polyketide by intermediate tailoring enzymes after completed assembly of the nascent polyketide;69 and the full decoration of cyclized polyketides by additional enzymes specific for each PKS.27 Much of what we know about aromatic polyketide biosynthesis, especially the first two stages, stems from mix-and-match experiments with heterologous enzymes from different Type II PKSs.69 The ability to recombine components from different PKSs has also afforded a large collection of unnatural aromatic polyketides.
Formation of the KS-CLF heterodimer is essential for the function of the minimal PKS. Decarboxylative condensation occurs at the active-site cysteine of the KS. The crystal structure KS-CLF complex has recently been elucidated, revealing a substrate tunnel in KS into which the growing polyketide chain can be extruded during chain extension.
72 Depending upon the size of polyketide product, the tunnel can extend into the CLF. CLF displays high sequence homology to the KS with the notable difference of lacking the active-site cysteine, where a glutamine is found instead.73 The catalytically silent CLF is integrally involved in determining the length of the polyketide during chain extension by dictating the number of catalytic cycles.
Top: acetate primed PKS; bottom: nonacetete primed PKS MAT has stringent specificity toward malonyl-CoA, which is reflected in the exclusive utilization of malonyl extender units by Type II PKS.75 Together, these four enzymes consist of the smallest set of enzymes required for the synthesis of a complete polyketide chain.
The minimal PKS from the actinorhodin biosynthetic pathway synthesizes an octaketide backbone from eight malonylCoA equivalents,76 the tetracenomycin minimal PKS synthesizes a decaketide backbone from ten equivalents of malonyl-CoA,77 and the pradimycin minimal PKS synthesizes a dodecaketide backbone from twelve equivalents of malonyl-CoA.78 Most aromatic PKSs initiate polyketide biosynthesis through decarboxylation of malonyl-ACP, resulting in an invariant acetyl primer unit.
In contrast to the Type I PKS architecture, in which individual reductive domains are dispersed throughout the megasynthases and can tailor the growing polyketide after each round of chain extension, Type II PKSs complete polyketide synthesis prior to tailoring.
A fixed set of enzymes from each PKS processes the polyketide chain and transforms it into aromatic polyketides with varying oxidation states and substitutions.
69 A collection of immediate tailoring enzymes are commonly found in most Type II PKS; they include: KR, which is broadly specific for polyketides of varying chain lengths and regiospecifically reduces the carbonyl at C9 to a hydroxyl;85 cyclase, which catalyzes the intramolecular cyclization of the polyketide scaffold;86 and aromatase, which dehydrates and aromatizes a cyclized ring to yield the conjugated ring systems observed in most aromatic polyketides.
69 Additional KRs specific for other carbonyls in the polyketide as well as multiple CYCs and AROs can be found in certain PKSs, depending upon the length of the polyketide and the complexity of the ring systems.
3.2 Combinatorial Biosynthesis of Type II Polyketides The Type II PKS modules that can be reshuffled to introduce structural diversity among aromatic polyketides include: the initiation module which specifies the starter unit; the elongation module which determines chain length; the immediate tailoring enzymes that dictate the oxidation state at C9 and the C-C connectivity during cyclization; and the downstream tailoring enzymes.
The "Programing rules" have allowed engineered biosynthesis of completely novel polyketide scaffolds and unnatural analogs of natural polyketides.
3.2.3 Primer Unit Modifications The primer unit represents an attractive site for introducing alternative chemical functionalities into aromatic polyketides, largely due to the exceptionally high substrate specificity of the minimal PKS toward malonyl-ACP. Alternative extender units have not been observed in the backbones of aromatic polyketides, leaving the starter unit as the only accessible position for structural alteration.
Heterologous recombination of initiation and elongation modules has been employed successfully to alter the primer unit in aromatic polyketides.
100 Functional assembly of these modules has facilitated the biosynthesis of completely new aromatic polyketide scaffolds as well as the regioselective modification of known polyketides.
The bicyclic structures of YT46 and YT84 have not been observed in polyketides before.
From the above studies, it is evident that the minimal PKS controls polyketide chain length by counting the number of atoms incorporated into the backbone rather than the number of elongation cycles.
100 The final number of carbons in the backbone remains at C20. In contrast, auxiliary PKS enzymes such as KR, ARO and CYC recognize specific functional groups in the polyketide backbone rather than overall chain length and the identities of the starter unit.
DHPAS condenses four malonyl-CoAs to yield an acetate-primed tetraketide, and catalyze the C6-C1 Claisen condensation observed in CHS. 4.2 Engineered Biosynthesis of Type III Polyketides Unnatural polyketides have been synthesized using techniques such as precursordirected synthesis and rational mutagenesis.
An attractive route to additional diversity in polyketide structures and biological activities is through reprograming of functional, hybrid synthases that adopt biochemical features from all three different types of polyketide synthases.
1039/9781847552556-00055 Research on polyketide biosynthesis in the author's laboratories is supported by grants from the National Institutes of Health.
సరళమైన, ప్రాధమిక జీవక్రియల నుండి ఒక ప్రాథమిక పాలికెటైడ్ పరంజా యొక్క అసెంబ్లీ కొవ్వు ఆమ్ల బయోసింథెసిస్‌ను పోలి ఉంటుంది: పెరుగుతున్న పాలికెటైడ్ గొలుసు మరియు ప్రత్యామ్నాయ మలోనిల్ మోనోథియోస్టర్ మధ్య క్లైసెన్ లాంటి ఘనీభవనాలు.
పాలికెటైడ్ కుటుంబంలో గమనించిన నిర్మాణ వైవిధ్యం టైలరింగ్ ఎంజైమ్‌ల సమూహం ద్వారా పాలికెటైడ్ గొలుసును సవరించడం ద్వారా విస్తరించబడుతుంది.
1.1 పాలికెటైడ్ అసెంబ్లీ పాలికెటైడ్స్‌ను సమిష్టిగా పాలికెటైడ్ సింథేస్ అని పిలిచే ఎంజైమ్‌ల సమూహం బయోసింథసైజ్ చేస్తుంది.
1.2 పాలికెటైడ్ సింథేసెస్ యొక్క మూడు ప్రధాన తరగతులు వైవిధ్యాలు ఉన్నప్పటికీ, పాలికెటైడ్ సింథేస్‌లను వాటి మొత్తం నిర్మాణం ఆధారంగా విస్తృతంగా మూడు వర్గాలుగా వర్గీకరించవచ్చు.
పాలికెటైడ్ల యొక్క ప్రతి తరగతి కోసం, మేము బయోసింథటిక్ జన్యువుల యొక్క జన్యు లక్షణాలను మరియు కోర్ ఎంజైమ్‌ల యొక్క ప్రాథమిక జీవరసాయన శాస్త్రాన్ని వివరిస్తాము మరియు PKS యొక్క తారుమారు అసహజ పాలికెటైడ్ల యొక్క జీవసంశ్లేషణకు ఎలా దారితీస్తుందో ఉదాహరణలతో అనుసరిస్తాము.
స్ట్రెప్టోమైసెస్ కోలికోలర్ 18 యొక్క ఉత్పన్నంలో హోస్ట్ / వెక్టర్ వ్యవస్థ అభివృద్ధి చేయబడింది, దీని నుండి ప్రాధమిక ఎండోజెనస్ పాలికెటైడ్ మార్గం తొలగించబడింది, అందువల్ల భిన్నమైన PKS జన్యువులను వ్యక్తీకరించడానికి మరియు విశ్లేషించడానికి "శుభ్రమైన" నేపథ్యాన్ని అందిస్తుంది.
షటిల్ వెక్టర్ ఉపయోగించి, పికెఎస్ జన్యువులను ఎస్చెరిచియా కోలిలో వేగంగా మార్చవచ్చు మరియు పాలికెటైడ్ బయోసింథసిస్ కోసం CH999 గా మార్చవచ్చు.
తుది మాడ్యూల్ యొక్క సి-టెర్మినస్ వద్ద థియోస్టెరేస్ డొమైన్ తరచుగా ఉంటుంది, ఇది పాలికెటైడ్ యొక్క విడుదల మరియు మాక్రోసైక్లైజేషన్‌ను ఉత్ప్రేరకపరుస్తుంది.
ప్రతి మాడ్యూల్ పాలికెటైడ్ గొలుసు యొక్క అసెంబ్లీలో ఒక నిర్దిష్ట దశకు బాధ్యత వహిస్తుంది మరియు గొలుసు పొడిగింపు సమయంలో ఒక్కసారి మాత్రమే ఉపయోగించబడుతుంది.
పర్యవసానంగా, పాలికెటైడ్ యొక్క పొడవు PKS లో ఉన్న మొత్తం మాడ్యూళ్ళ ద్వారా నిర్దేశించబడుతుంది. మాక్రోలైడ్‌లోని విభిన్న β- కార్బన్‌ల యొక్క ఆక్సీకరణ స్థితులు సంబంధిత మాడ్యూల్‌లో ఉన్న తగ్గింపు డొమైన్‌ల కలయిక ఆధారంగా తక్షణమే అంచనా వేయవచ్చు.
పాలికెటైడ్ ఇంటర్మీడియట్‌ను అప్‌స్ట్రీమ్ మాడ్యూల్ నుండి కాగ్నేట్ డౌన్‌స్ట్రీమ్ మాడ్యూల్‌కు సరైన బదిలీ చేయడానికి లింకర్‌లు చాలా ముఖ్యమైనవి.
లింకర్-లింకర్ పరస్పర చర్యల యొక్క ఆవిష్కరణ హైబ్రిడ్ పాలికెటైడ్స్ యొక్క జీవసంశ్లేషణ కోసం మొత్తం మాడ్యూళ్ళ యొక్క భిన్నమైన పున omb సంయోగాన్ని అనుమతించింది.
2.3.2 మాడ్యూల్ ఇంజనీరింగ్ కాంబినేటోరియల్ బయోసింథసిస్ కోసం ఒక ప్రత్యామ్నాయ వ్యూహం ఏమిటంటే, PKS లో చెక్కుచెదరకుండా ఉన్న మాడ్యూళ్ళను క్రమాన్ని మార్చడం లేదా వివిధ PKS ల నుండి మాడ్యూళ్ళను కలపడం. నవల పాలికెటైడ్లను రూపొందించడానికి విజయవంతంగా ఉపయోగించిన ప్రయోగాలలో మాడ్యూల్ తొలగింపు, 13,37,47-49 మాడ్యూల్ పునర్వ్యవస్థీకరణ మరియు వైవిధ్య మాడ్యూల్ షఫ్లింగ్ ఉన్నాయి.
అదనపు పాలికెటైడ్ వైవిధ్యాలను ఇవ్వడానికి డొమైన్ షఫ్లింగ్ మాడ్యూల్ షఫ్లింగ్‌తో కలిపి ఉంది.
[39] ఈ కత్తిరించబడిన పాలికెటైడ్ల నిర్మాణం TE ను వేర్వేరు మాడ్యూళ్ళకు అనుసంధానించవచ్చు మరియు వేర్వేరు ఉపరితలాల వైపు థియోస్టెరేస్‌గా సరిగా పనిచేస్తుందని చూపిస్తుంది; దిగువ మాడ్యూల్స్ అప్‌స్ట్రీమ్ మాడ్యూళ్ల పనితీరుపై ప్రభావం చూపవు; మరియు కెటోసింథేసెస్ వివిధ పొడవు మరియు తగ్గింపు స్థితుల యొక్క పాలికెటైడ్ మధ్యవర్తుల వైపు సబ్‌స్ట్రేట్ ప్రత్యేకతలను సడలించింది.
వైవిధ్య PKS ల నుండి చెక్కుచెదరకుండా ఉన్న మాడ్యూళ్ళ యొక్క పెద్ద-స్థాయి అసెంబ్లీ బహుశా కాంబినేటోరియల్ పాలికెటైడ్ బయోసింథసిస్ యొక్క అంతిమ లక్ష్యం.
Qxd 2/4/2006 2:45 PM పేజీ 68 ఆన్‌లైన్‌లో చూడండి 68 చాప్టర్ 3 మాక్రోలైడ్‌లు బయోఆక్టివ్ పాలికెటైడ్ల లైబ్రరీని ఇవ్వడానికి వివిధ PKS లతో అనుబంధించబడిన దిగువ టైలరింగ్ ఎంజైమ్‌ల ద్వారా మరింత మార్పు చేయబడ్డాయి.
హైబ్రిడ్ పికెఎస్ బెంజాయిక్ ఆమ్లాన్ని స్టార్టర్ యూనిట్‌గా సక్రియం చేయగలిగింది మరియు E. కోలి .19 లో expected హించిన బెంజైల్-ప్రత్యామ్నాయ 6-డిఇబిని సంశ్లేషణ చేయగలిగింది. డొమైన్ మరియు మాడ్యూల్ షఫ్లింగ్ సహజంగా ఉత్పత్తి చేయని కొత్త పాలికెటైడ్లను కొనుగోలు చేయగలిగినప్పటికీ, ఆ పద్ధతుల ద్వారా ప్రవేశపెట్టిన వైవిధ్యాలు సహజ బిల్డింగ్ బ్లాకుల సాపేక్షంగా చిన్న కొలను ద్వారా ఇప్పటికీ పరిమితం చేయబడ్డాయి.
సింథటిక్ కెమిస్ట్రీ ద్వారా అందుబాటులో ఉన్న విస్తారమైన రసాయన స్థలాన్ని మరియు బయోసింథసిస్ యొక్క సున్నితమైన ఖచ్చితత్వాన్ని కలపడానికి, టైప్ I పికెఎస్ కోసం పూర్వగామి-దర్శకత్వం వహించిన బయోసింథసిస్ అభివృద్ధి చేయబడింది .55 క్లుప్తంగా, పూర్వగామి-దర్శకత్వం వహించిన బయోసింథసిస్ అనేది ప్రారంభ పాలికెటైడ్ ఇంటర్మీడియట్‌ను అనుకరించే నవల ప్రైమర్ యూనిట్లు PKS కు బాహ్యంగా సరఫరా చేయబడింది. సింథటిక్ ఉపరితలం PKS చేత దిగువ మాడ్యూల్స్ ద్వారా పొడిగించబడుతుంది మరియు అసహజ పాలికెటైడ్ను ఇస్తుంది.
3 3.1 టైప్ II పాలికెటైడ్ సింథేసెస్ డిసోసియేటెడ్ ఆర్కిటెక్చర్ టైప్ II పాలికెటైడ్ సింథేసెస్ ఆరోమాటిక్ పాలికెటైడ్లను సంశ్లేషణ చేస్తుంది, వీటిలో వైద్యపరంగా ముఖ్యమైన టెట్రాసైక్లిన్, డౌనోరుబిసిన్ మరియు మిథ్రామైసిన్ ఉన్నాయి.
[68] సుగంధ పాలికెటైడ్ల బయోసింథసిస్‌ను మూడు దశలుగా విభజించవచ్చు: కనీస PKS మాడ్యూల్ ద్వారా పూర్తి పాలికెటైడ్ గొలుసు యొక్క అసెంబ్లీ; 18 నాస్సెంట్ పాలికెటైడ్ యొక్క అసెంబ్లీ పూర్తయిన తర్వాత ఇంటర్మీడియట్ టైలరింగ్ ఎంజైమ్‌ల ద్వారా పాలికెటైడ్ యొక్క తగ్గింపు, సుగంధీకరణ మరియు సైక్లైజేషన్; ప్రతి PKS.27 కు ప్రత్యేకమైన అదనపు ఎంజైమ్‌ల ద్వారా సైక్లైజ్డ్ పాలికెటైడ్ల పూర్తి అలంకరణ. సుగంధ పాలికెటైడ్ బయోసింథసిస్ గురించి మనకు తెలిసిన వాటిలో చాలావరకు, ముఖ్యంగా మొదటి రెండు దశలు, వివిధ రకం II PKS ల నుండి భిన్నమైన ఎంజైమ్‌లతో మిక్స్-అండ్-మ్యాచ్ ప్రయోగాల నుండి ఉత్పన్నమవుతాయి. comp ను తిరిగి కలపడానికి వేర్వేరు PKS ల నుండి వచ్చినవారు అసహజమైన సుగంధ పాలికెటైడ్ల యొక్క పెద్ద సేకరణను కూడా పొందారు.
కనీస PKS యొక్క పనితీరుకు KS-CLF హెటెరోడైమర్ నిర్మాణం అవసరం. KS యొక్క క్రియాశీల-సైట్ సిస్టీన్ వద్ద డెకార్బాక్సిలేటివ్ సంగ్రహణ జరుగుతుంది. క్రిస్టల్ నిర్మాణం KS-CLF కాంప్లెక్స్ ఇటీవలే స్పష్టం చేయబడింది, ఇది KS లోని ఒక ఉపరితల సొరంగంను వెల్లడిస్తుంది, దీనిలో గొలుసు పొడిగింపు సమయంలో పెరుగుతున్న పాలికెటైడ్ గొలుసును వెలికి తీయవచ్చు.
పాలికెటైడ్ ఉత్పత్తి పరిమాణాన్ని బట్టి, సొరంగం CLF లోకి విస్తరించవచ్చు. క్రియాశీల-సైట్ సిస్టీన్ లేకపోవడం యొక్క ముఖ్యమైన వ్యత్యాసంతో CLF అధిక శ్రేణి హోమోలజీని ప్రదర్శిస్తుంది, ఇక్కడ బదులుగా గ్లూటామైన్ కనుగొనబడుతుంది. 73 ఉత్ప్రేరకంగా నిశ్శబ్దమైన CLF గొలుసు పొడిగింపు సమయంలో పాలికెటైడ్ యొక్క పొడవును నిర్ణయించడంలో సమగ్రంగా పాల్గొంటుంది. ఉత్ప్రేరక చక్రాలు.
ఎగువ: ఎసిటేట్ ప్రైమ్డ్ పికెఎస్; దిగువ: nonacetete primed PKS MAT మాలోనిల్- CoA పట్ల కఠినమైన విశిష్టతను కలిగి ఉంది, ఇది టైప్ II PKS.75 ద్వారా మాలోనిల్ ఎక్స్‌టెండర్ యూనిట్ల యొక్క ప్రత్యేకమైన వినియోగంలో ప్రతిబింబిస్తుంది. ఈ నాలుగు ఎంజైమ్‌లు పూర్తి సంశ్లేషణకు అవసరమైన చిన్న ఎంజైమ్‌లను కలిగి ఉంటాయి. పాలికెటైడ్ గొలుసు.
ఆక్టినోర్హోడిన్ బయోసింథటిక్ మార్గం నుండి కనిష్ట PKS ఎనిమిది మాలోనిల్కోఏ సమానమైన వాటి నుండి ఒక ఆక్టాకెటైడ్ వెన్నెముకను సంశ్లేషణ చేస్తుంది, [76] టెట్రాసెనోమైసిన్ కనిష్ట PKS మాలోనిల్- CoA, 77 యొక్క సమానమైన డెకాకెటైడ్ వెన్నెముకను సంశ్లేషణ చేస్తుంది, [77] CoA.78 చాలా సుగంధ PKS లు మలోనిల్-ఎసిపి యొక్క డీకార్బాక్సిలేషన్ ద్వారా పాలికెటైడ్ బయోసింథసిస్‌ను ప్రారంభిస్తాయి, దీని ఫలితంగా మార్పులేని ఎసిటైల్ ప్రైమర్ యూనిట్ వస్తుంది.
టైప్ I పికెఎస్ ఆర్కిటెక్చర్‌కు విరుద్ధంగా, ఇందులో వ్యక్తిగత తగ్గింపు డొమైన్‌లు మెగాసింథేజ్‌ల అంతటా చెదరగొట్టబడతాయి మరియు ప్రతి రౌండ్ గొలుసు పొడిగింపు తర్వాత పెరుగుతున్న పాలికెటైడ్‌కు అనుగుణంగా ఉంటాయి, టైప్ II పికెఎస్ టైలరింగ్‌కు ముందు పూర్తి పాలికెటైడ్ సంశ్లేషణ.
ప్రతి PKS నుండి స్థిరమైన ఎంజైమ్‌లు పాలికెటైడ్ గొలుసును ప్రాసెస్ చేస్తాయి మరియు వివిధ ఆక్సీకరణ స్థితులు మరియు ప్రత్యామ్నాయాలతో సుగంధ పాలికెటైడ్‌లుగా మారుస్తాయి.
[69] తక్షణ టైలరింగ్ ఎంజైమ్‌ల సేకరణ సాధారణంగా చాలా టైప్ II పికెఎస్‌లో కనిపిస్తుంది; వాటిలో ఇవి ఉన్నాయి: KR, ఇది విభిన్న గొలుసు పొడవు మరియు రెజియోస్పెసిఫికల్‌గా C9 వద్ద ఉన్న కార్బొనిల్‌ను హైడ్రాక్సిల్‌కు తగ్గిస్తుంది; 85 సైక్లేస్, ఇది పాలికెటైడ్ పరంజా యొక్క ఇంట్రామోలెక్యులర్ సైక్లైజేషన్‌ను ఉత్ప్రేరకపరుస్తుంది; చాలా సుగంధ పాలికెటైడ్లలో గమనించిన సంయోగ రింగ్ వ్యవస్థలను ఇవ్వడానికి.
పాలికెటైడ్‌లోని ఇతర కార్బొనిల్స్‌కు ప్రత్యేకమైన అదనపు KR లు అలాగే బహుళ CYC లు మరియు ARO లు కొన్ని PKS లలో కనుగొనవచ్చు, ఇవి పాలికెటైడ్ యొక్క పొడవు మరియు రింగ్ వ్యవస్థల సంక్లిష్టతను బట్టి ఉంటాయి.
3.2 టైప్ II పాలికెటైడ్స్ యొక్క కాంబినేటోరియల్ బయోసింథసిస్ టైప్ II పికెఎస్ మాడ్యూల్స్ సుగంధ పాలికెటైడ్లలో నిర్మాణ వైవిధ్యాన్ని పరిచయం చేయడానికి పునర్నిర్మించబడతాయి: స్టార్టర్ యూనిట్‌ను పేర్కొనే దీక్షా మాడ్యూల్; గొలుసు పొడవును నిర్ణయించే పొడుగు మాడ్యూల్; C9 వద్ద ఆక్సీకరణ స్థితిని మరియు సైక్లైజేషన్ సమయంలో C-C కనెక్టివిటీని నిర్దేశించే తక్షణ టైలరింగ్ ఎంజైములు; మరియు దిగువ టైలరింగ్ ఎంజైములు.
"ప్రోగ్రామింగ్ నియమాలు" పూర్తిగా నవల పాలికెటైడ్ పరంజా యొక్క ఇంజనీరింగ్ బయోసింథసిస్ మరియు సహజ పాలికెటైడ్ల యొక్క అసహజ అనలాగ్లను అనుమతించాయి.
3.2.3 ప్రైమర్ యూనిట్ సవరణలు ప్రత్యామ్నాయ రసాయన కార్యాచరణలను సుగంధ పాలికెటైడ్స్‌లో ప్రవేశపెట్టడానికి ప్రైమర్ యూనిట్ ఒక ఆకర్షణీయమైన సైట్‌ను సూచిస్తుంది, ఎక్కువగా మలోనిల్-ఎసిపి వైపు కనీస పికెఎస్ యొక్క అధిక ఉపరితల విశిష్టత కారణంగా. సుగంధ పాలికెటైడ్ల యొక్క వెన్నెముకలలో ప్రత్యామ్నాయ ఎక్స్‌టెండర్ యూనిట్లు గమనించబడలేదు, నిర్మాణాత్మక మార్పుకు స్టార్టర్ యూనిట్ మాత్రమే ప్రాప్యత చేయగల స్థానం.
సుగంధ పాలికెటైడ్స్‌లో ప్రైమర్ యూనిట్‌ను మార్చడానికి దీక్ష మరియు పొడుగు మాడ్యూళ్ల యొక్క పున omb సంయోగం విజయవంతంగా ఉపయోగించబడింది.
[100] ఈ మాడ్యూళ్ల యొక్క ఫంక్షనల్ అసెంబ్లీ పూర్తిగా కొత్త సుగంధ పాలికెటైడ్ పరంజాల యొక్క జీవసంశ్లేషణతో పాటు తెలిసిన పాలికెటైడ్ల యొక్క రెజియోసెలెక్టివ్ సవరణను సులభతరం చేసింది.
YT46 మరియు YT84 యొక్క ద్విచక్ర నిర్మాణాలు ఇంతకు ముందు పాలికెటైడ్లలో గమనించబడలేదు.
పై అధ్యయనాల నుండి, పొడుగు చక్రాల సంఖ్య కంటే వెన్నెముకలో విలీనం చేయబడిన అణువుల సంఖ్యను లెక్కించడం ద్వారా కనీస PKS పాలికెటైడ్ గొలుసు పొడవును నియంత్రిస్తుందని స్పష్టమవుతుంది.
100 వెన్నెముకలోని చివరి కార్బన్‌ల సంఖ్య C20 వద్ద ఉంది. దీనికి విరుద్ధంగా, KR, ARO మరియు CYC వంటి సహాయక PKS ఎంజైమ్‌లు మొత్తం గొలుసు పొడవు మరియు స్టార్టర్ యూనిట్ యొక్క గుర్తింపుల కంటే పాలికెటైడ్ వెన్నెముకలోని నిర్దిష్ట క్రియాత్మక సమూహాలను గుర్తిస్తాయి.
DHPAS ఒక అసిటేట్-ప్రైమ్డ్ టెట్రాకెటైడ్ను ఇవ్వడానికి నాలుగు మలోనిల్-కోఏలను ఘనీకరిస్తుంది మరియు CHS లో గమనించిన C6-C1 క్లైసెన్ సంగ్రహణను ఉత్ప్రేరకపరుస్తుంది. 4.2 టైప్ III పాలికెటైడ్స్ యొక్క ఇంజనీర్డ్ బయోసింథసిస్ అసహజ పాలికెటైడ్స్‌ను ముందస్తుగా నిర్దేశించిన సంశ్లేషణ మరియు హేతుబద్ధమైన ఉత్పరివర్తన వంటి పద్ధతులను ఉపయోగించి సంశ్లేషణ చేయబడ్డాయి.
అదనంగా ఆకర్షణీయమైన మార్గంపాలికెటైడ్ నిర్మాణాలు మరియు జీవసంబంధ కార్యకలాపాలలో వైవిధ్యం అనేది మూడు వేర్వేరు రకాల పాలికెటైడ్ సింథేజ్‌ల నుండి జీవరసాయన లక్షణాలను స్వీకరించే ఫంక్షనల్, హైబ్రిడ్ సింథేజ్‌ల యొక్క పునరుత్పత్తి ద్వారా.
1039 / 9781847552556-00055 రచయిత యొక్క ప్రయోగశాలలలో పాలికెటైడ్ బయోసింథసిస్ పై పరిశోధనకు నేషనల్ ఇన్స్టిట్యూట్ ఆఫ్ హెల్త్ నుండి మంజూరు చేయబడుతోంది.
The assembly of a basic polyketide scaffold from simple, primary metabolites resembles that of fatty acid biosynthesis: repeated Claisen-like condensations between a growing polyketide chain and a substituted malonyl monothioester.
The structural diversity observed within the polyketide family is amplified via modification of the polyketide chain by a group of tailoring enzymes.
1.1 Polyketide Assembly Polyketides are biosynthesized by a group of enzymes collectively known as polyketide synthase.
1.2 Three Major Classes of Polyketide Synthases Although variations exist, polyketide synthases can be broadly classified into three categories based on their overall architecture.
For each class of polyketides, we will detail the genetic features of the biosynthetic genes and the fundamental biochemistry of the core enzymes, and follow with examples of how manipulation of the PKS can lead to the biosynthesis of unnatural polyketides.
A host/vector system was developed in a derivative of Streptomyces coelicolor18 from which the primary endogenous polyketide pathway had been deleted, hence offering a "Clean" background to express and analyze heterologous PKS genes.
Utilizing a shuttle vector, PKS genes can be rapidly manipulated in Escherichia coli and transformed into CH999 for polyketide biosynthesis.
A thioesterase domain is often present at the C-terminus of the final module, catalyzing the release and macrocyclization of the polyketide.
22 Each module is responsible for a specific step in the assembly of the polyketide chain and is utilized only once during chain extension.
As a result, the length of the polyketide is dictated by the overall number of modules present in the PKS. The oxidation states of the different β-carbons within a macrolide can be readily predicted based on the combination of reductive domains present in the corresponding module.
28 The linkers are especially important for the correct transfer of the polyketide intermediate from an upstream module to a cognate downstream module.
The discovery of linker-linker interactions has allowed the heterologous recombination of entire modules for the biosynthesis of hybrid polyketides.
2.3.2 Module Engineering An alternative strategy for combinatorial biosynthesis is to rearrange intact modules within a PKS or combine modules from different PKSs. Experiments that have been successfully employed to generate novel polyketides include module deletion,13,37,47-49 module rearrangement and heterologous module shuffling.
48 Domain shuffling has been combined with module shuffling to yield additional polyketide variants.
39 Formation of these truncated polyketides shows that the TE can be fused to different modules and function properly as a thioesterase toward different substrates; the downstream modules have no influence on the functions of the upstream modules; and the ketosynthases have relaxed substrate specificities toward polyketide intermediates of varying length and reductive states.
Large-scale assembly of intact modules from heterologous PKSs is perhaps the ultimate goal of combinatorial polyketide biosynthesis.
Qxd 2/4/2006 2:45 PM Page 68 View Online 68 Chapter 3 macrolides were further modified combinatorially by the downstream tailoring enzymes associated with the different PKSs to yield a library of bioactive polyketides.
The hybrid PKS was able to activate benzoic acid as the starter unit and synthesize the expected benzyl-substituted 6-dEB in E. coli.19 Although domain and module shuffling can afford new polyketides that are not produced naturally, the variations introduced via those techniques are still limited by the relatively small pool of natural building blocks.
To combine the vast chemical space accessible through synthetic chemistry and the exquisite precision of biosynthesis, precursor-directed biosynthesis was developed for the Type I PKSs.55 Briefly, precursor-directed biosynthesis is the process in which novel primer units mimicking an early polyketide intermediate are supplied exogenously to the PKS. The synthetic substrate is elongated by the PKS via the downstream modules and yields an unnatural polyketide.
3 3.1 Type II Polyketide Synthases Dissociated Architecture Type II polyketide synthases synthesize aromatic polyketides, including the clinically important tetracycline, daunorubicin and mithramycin.
68 Biosynthesis of aromatic polyketides can be separated into three stages: the assembly of the complete polyketide chain by the minimal PKS module;18 the reduction, aromatization and cyclization of the polyketide by intermediate tailoring enzymes after completed assembly of the nascent polyketide;69 and the full decoration of cyclized polyketides by additional enzymes specific for each PKS.27 Much of what we know about aromatic polyketide biosynthesis, especially the first two stages, stems from mix-and-match experiments with heterologous enzymes from different Type II PKSs.69 The ability to recombine components from different PKSs has also afforded a large collection of unnatural aromatic polyketides.
Formation of the KS-CLF heterodimer is essential for the function of the minimal PKS. Decarboxylative condensation occurs at the active-site cysteine of the KS. The crystal structure KS-CLF complex has recently been elucidated, revealing a substrate tunnel in KS into which the growing polyketide chain can be extruded during chain extension.
72 Depending upon the size of polyketide product, the tunnel can extend into the CLF. CLF displays high sequence homology to the KS with the notable difference of lacking the active-site cysteine, where a glutamine is found instead.73 The catalytically silent CLF is integrally involved in determining the length of the polyketide during chain extension by dictating the number of catalytic cycles.
Top: acetate primed PKS; bottom: nonacetete primed PKS MAT has stringent specificity toward malonyl-CoA, which is reflected in the exclusive utilization of malonyl extender units by Type II PKS.75 Together, these four enzymes consist of the smallest set of enzymes required for the synthesis of a complete polyketide chain.
The minimal PKS from the actinorhodin biosynthetic pathway synthesizes an octaketide backbone from eight malonylCoA equivalents,76 the tetracenomycin minimal PKS synthesizes a decaketide backbone from ten equivalents of malonyl-CoA,77 and the pradimycin minimal PKS synthesizes a dodecaketide backbone from twelve equivalents of malonyl-CoA.78 Most aromatic PKSs initiate polyketide biosynthesis through decarboxylation of malonyl-ACP, resulting in an invariant acetyl primer unit.
In contrast to the Type I PKS architecture, in which individual reductive domains are dispersed throughout the megasynthases and can tailor the growing polyketide after each round of chain extension, Type II PKSs complete polyketide synthesis prior to tailoring.
A fixed set of enzymes from each PKS processes the polyketide chain and transforms it into aromatic polyketides with varying oxidation states and substitutions.
69 A collection of immediate tailoring enzymes are commonly found in most Type II PKS; they include: KR, which is broadly specific for polyketides of varying chain lengths and regiospecifically reduces the carbonyl at C9 to a hydroxyl;85 cyclase, which catalyzes the intramolecular cyclization of the polyketide scaffold;86 and aromatase, which dehydrates and aromatizes a cyclized ring to yield the conjugated ring systems observed in most aromatic polyketides.
69 Additional KRs specific for other carbonyls in the polyketide as well as multiple CYCs and AROs can be found in certain PKSs, depending upon the length of the polyketide and the complexity of the ring systems.
3.2 Combinatorial Biosynthesis of Type II Polyketides The Type II PKS modules that can be reshuffled to introduce structural diversity among aromatic polyketides include: the initiation module which specifies the starter unit; the elongation module which determines chain length; the immediate tailoring enzymes that dictate the oxidation state at C9 and the C-C connectivity during cyclization; and the downstream tailoring enzymes.
The "Programing rules" have allowed engineered biosynthesis of completely novel polyketide scaffolds and unnatural analogs of natural polyketides.
3.2.3 Primer Unit Modifications The primer unit represents an attractive site for introducing alternative chemical functionalities into aromatic polyketides, largely due to the exceptionally high substrate specificity of the minimal PKS toward malonyl-ACP. Alternative extender units have not been observed in the backbones of aromatic polyketides, leaving the starter unit as the only accessible position for structural alteration.
Heterologous recombination of initiation and elongation modules has been employed successfully to alter the primer unit in aromatic polyketides.
100 Functional assembly of these modules has facilitated the biosynthesis of completely new aromatic polyketide scaffolds as well as the regioselective modification of known polyketides.
The bicyclic structures of YT46 and YT84 have not been observed in polyketides before.
From the above studies, it is evident that the minimal PKS controls polyketide chain length by counting the number of atoms incorporated into the backbone rather than the number of elongation cycles.
100 The final number of carbons in the backbone remains at C20. In contrast, auxiliary PKS enzymes such as KR, ARO and CYC recognize specific functional groups in the polyketide backbone rather than overall chain length and the identities of the starter unit.
DHPAS condenses four malonyl-CoAs to yield an acetate-primed tetraketide, and catalyze the C6-C1 Claisen condensation observed in CHS. 4.2 Engineered Biosynthesis of Type III Polyketides Unnatural polyketides have been synthesized using techniques such as precursordirected synthesis and rational mutagenesis.
An attractive route to additional diversity in polyketide structures and biological activities is through reprograming of functional, hybrid synthases that adopt biochemical features from all three different types of polyketide synthases.
1039/9781847552556-00055 Research on polyketide biosynthesis in the author's laboratories is supported by grants from the National Institutes of Health.
