Synthesis of phosphonic acid analogues of 2-AEP and 1-OH-2-AEP as substrates for PhnY and PhnZ

Organophosphor-Verbindungen verfügen über eine direkte, stabile P-C Bindung. Sie finden zahlreiche Anwendungen als Antibiotika und Herbizide in der Medizin und Landwirtschaft. Natürlich vorkommende Phosphonate sind in der Umwelt, vor allem in marinen Ökosystemen, weit verbreitet und stellen eine wichtige alternative Quelle für Phosphor dar. Seine biologisch verfügbare Form, anorganisches Phosphat, ist ein wichtiger Nährstoff für mikrobielles Wachstum und der limitierende Faktor in bestimmten Habitaten. Betrachtet man die Häufigkeit von Phosphonaten, ist es nicht überraschend, dass viele Wege für deren Biosynthese und Bioabbau existieren. Über die genauen enzymatischen Abbaumechanismen ist jedoch wenig bekannt, wodurch sich dieses Thema zu einem wichtigen und aktuellen Forschungsgebiet entwickelt hat. Augenmerk liegt derzeit auf einem Paar gekoppelter Enzyme, PhnY und PhnZ, von denen bekannt ist, unter Verwendung eines gemischtwertigen Cofaktors und Luftsauerstoff die oxidative Spaltung der P-C Bindung zu katalysieren. PhnY ist für die stereospezifische Hydroxylierung der α-Position von 2-AEP verantwortlich. Die auf diesem Weg produzierte (R)-1-OH-2-AEP dient als Substrat für das gekoppelte Enzym PhnZ, welches anschließend die oxidative Spaltung der P-C Bindung katalysiert. Die spezifische Erkennung des (R)-Enantiomers basiert auf dessen Orientierung im aktiven Zentrum des Enzyms. Um den Abbaumechanismus von 2-AEP und 1-OH-2-AEP durch PhnY beziehungsweise PhnZ zu untersuchen, wurden elf Analoga dieser Substrate synthetisiert und in Kooperation mit der kanadischen Arbeitsgruppe von Dr. David L. Zechel (Queen’s University, Ontario, Kanada) getestet. Die Synthese der Zielverbindungen erfolgte auf einfachst möglichem Wege und bediente sich sowohl grundlegender organischer Reaktionen als auch spezieller Reaktionen der Phosphorchemie. Dabei kamen Namensreaktionen wie die Mitsunobu-, Arbuzov-, Abramov- und Pudovik-Reaktion zum Einsatz. Die synthetisierten Substrate wurden mittels NMR-Spektroskopie identifiziert. Neue Substanzen wurden zudem mittels IR-Spektroskopie, Elementaranalyse, Schmelzpunkt und Drehwert charakterisiert. Die optische Reinheit wurde mittels chiraler HPLC bestimmt. Um die Verbindungen als Substrate für PhnY und PhnZ zu testen, wurden sie mit diesen Enzymen inkubiert. 31P NMR-Spektren wurden vor und nach der Zugabe von Enzym zur Reaktionsmischung aufgenommen, um Signale für Reaktionsprodukte festzustellen