Biosynthesis of oxygenated monoterpenes in Thyme, Melaleuca, and Eucalyptus species

Abstract

Die ätherischen Öle von Thymus-, Melaleuca- und Eucalyptus-Arten stellen eine natürliche Quelle für pharmazeutisch wertvolle Monoterpene dar. In der vorliegenden Arbeit wurden die stereo- und regiospezifischen Mechanismen der Enzyme untersucht, welche an der Bildung von oxygenierten, zyklischen Monoterpenen in diesen Arten verantwortlich sind. Gene codierend für diese Enzyme wurden isoliert, heterolog exprimiert und charakterisiert. Aus Thymus vulgaris wurden zwei Sabinenhydratsynthasen isoliert, welche gegensätzliche Enantiomere ihrer chiralen Monoterpenprodukte bildeten. Nur ein Aminosäurerest im aktiven Zentrum der Enzyme bestimmte maßgeblich die Stereospezifität. Für die Bildung von Thymol und Carvacrol wurde ein Biosyntheseweg ausgehend von γ-Terpinen postuliert, welcher die Aktivität einer Cytochrom P450-Monooxygenase und einer Dehydrogenase beinhaltet. Aus Melaleuca- und Eucalyptus-Arten wurden putative Monoterpensynthasen und P450-Enzyme isoliert.

The essential oils of Thymus, Melaleuca, and Eucalyptus species are natural resources for a wide range of pharmaceutical valued monoterpenes. The present study is about the stereospecific and regiospecific mechanisms of the enzymes involved in the formation of oxygenated, cyclic monoterpenes in these species. Therefore, genes encoding for the respective enzymes were isolated, heterologously expressed, and characterized. From Thymus vulgaris two sabinene hydrate synthases were isolated which formed the opposite enantiomers of their chiral monoterpene products. Only one amino acid residue in the active site of both enzymes determined most of the stereospecificity. For the formation of thymol and carvacrol, a pathway from γ-terpinene catalyzed by the combined activity of a cytochrome P450 enzyme and a dehydrogenase was postulated. From Melaleuca and Eucalyptus species, putative monoterpene synthases and cytochrome P450 enzymes could be isolated.