カルバペネムβ-ラクタム系抗生物質生合成における共通ステップと発散ステップの定義

Definition of the common and divergent steps in carbapenem β-lactam antibiotic biosynthesis.

• Micah J Bodner
• Rongfeng Li
• Ryan M Phelan
• Michael F Freeman
• Kristos A Moshos
• Evan P Lloyd
• Craig A Townsend

抄録

天然に存在する約50種類のカルバペネムβ-ラクタム系抗生物質が知られている。これらのうち1つを除いてすべてがストレプトマイセス種から分離されており、系統的に遠い植物病原体であるペクトバクテリウム・カロトヴォルム(Erwinia carotovora)によって合成される単純なコアの二置換構造変異体である。単純なカルバペネムである(5R)-カルバペン-2-エム-3-カルボン酸の生合成は、CarA, CarB, CarCの3つの酵素を必要とするだけで非常に効率的であるが、前者のグループの1つであるチエナマイシンの形成は、ストレプトマイセス由来の代謝物の中でも特に複雑である。系統的に分離されているにもかかわらず、コードする遺伝子クラスターのバイオインフォマティクス解析から、2つの経路が関連している可能性が示唆されている。本研究では、CarBとCarA、そしてそれらのS. cattleyaオルソログであるThnEとThnMが、それぞれ触媒効率は異なるものの、機能的にも立体化学的にも同等であることを、遺伝子スワップ、立体化学的、動力学的実験により明らかにした。したがって、チエナマイシン、および他の二置換カルバペネム、および最も単純なカルバペネムである(5R)-カルバペン-2-エム-3-カルボン酸への生合成経路は、同じ方法で開始されますが、分岐する前に2つの共通ステップのみを共有しています。

Approximately 50 naturally occurring carbapenem β-lactam antibiotics are known. All but one of these have been isolated from Streptomyces species and are disubstituted structural variants of a simple core that is synthesized by Pectobacterium carotovorum (Erwinia carotovora), a phylogenetically distant plant pathogen. While the biosynthesis of the simple carbapenem, (5R)-carbapen-2-em-3-carboxylic acid, is impressively efficient requiring only three enzymes, CarA, CarB and CarC, the formation of thienamycin, one of the former group of metabolites from Streptomyces, is markedly more complex. Despite their phylogenetic separation, bioinformatic analysis of the encoding gene clusters suggests that the two pathways could be related. Here we demonstrate with gene swapping, stereochemical and kinetics experiments that CarB and CarA and their S. cattleya orthologues, ThnE and ThnM, respectively, are functionally and stereochemically equivalent, although their catalytic efficiencies differ. The biosynthetic pathways, therefore, to thienamycin, and likely to the other disubstituted carbapenems, and to the simplest carbapenem, (5R)-carbapen-2-em-3-carboxylic acid, are initiated in the same manner, but share only two common steps before diverging.

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