Enzymatic synthesis of plant phenylpropanoids

Abstract

Phenylpropanoide sind die am weitesten verbreiteten Arten von Naturprodukten mit wichtigen Funktionen in Pflanzen, z.B. als strukturelle Komponenten (wie Lignin). Insbesondere Monolignole sind pflanzliche aromatische Verbindungen mit vielen potentiellen Anwendungen. Obwohl jene in hohen Mengen in Lignin enthalten sind, ist die Depolymerisation und Isolierung der einzelnen Monolignole aufgrund ihrer komplexen, hochvernetzten Struktur schwierig. In dieser Arbeit wurde ausgehend von den entsprechenden Säuren ein Weg zur Darstellung verschiedener methylierter/hydroxylierter Zimtaldehyd- und Zimtalkoholderivate entwickelt. Zum einen wurde eine Flavin-abhängige Monooxygenase aus E. coli mittels rationalem Design für die Hydroxylierung sperriger Substrate optimiert. Weiterhin konnte ein bestehendes System aus zwei Enzymen, durch ein Enzym mit zwei Domänen ersetzt werden. Ferner konnte ein zellfreies Modulsystem zur Synthese von Phenylpropanoiden entwickelt werden. Als Beispiel wurde die Synthese von Vanillin in vitro konstruiert, unter Verwendung von acht Enzymen für eine kontinuierliche Umwandlung von p-Cumarsäure zu Vanillin.

Phenylpropanoids are the most common types of natural products and have a wide range of important functions in plants, e.g. as structural components (such as lignin). In particular, monolignols are plant-derived aromatic compounds with many potential applications. Even though monolignols are present in high amounts in lignin, its depolymerization and the isolation of the individual monolignols is difficult due to its complex and highly crosslinked structure. In this work, a route for the preparation of various methylated and hydroxylated cinnamaldehyde and cinnamyl alcohol derivatives was developed, starting from their corresponding acids. On the one hand, a flavin-dependent monooxygenase from E. coli was optimized by rational design for hydroxylation of bulky substrates. On the other hand, a system consisting of two enzymes could be replaced by an enzyme with two domains. Furthermore, a cell-free modular system for the synthesis of phenylpropanoids was developed. As an example, the synthesis of vanillin was constructed in vitro. A set of eight enzymes was used for a continuous conversion of p-coumaric acid to vanillin.