Enzymatic Synthesis of alpha-D-Pentofuranose -1- Phosphate as a universal glycosyl donor for modified nucleosides synthesis using thermostable nucleoside phosphorylase
Kamel Hassan, Sarah
⍺-D-pentofuranose-1-phosphate is a key molecule in the pentose phosphate pathway as well as in the nucleoside/nucleotide metabolic pathway. It is physiologically synthesized from D-pentoses by phosphopentomutase or from nucleosides by nucleoside phosphorylase. It is further used as a carbon and energy source via its utilization in glycolysis and/or re-entering the pentose phosphate pathway. Pentofuranose-1-phosphates are interesting precursors for the synthesis of natural and modified nucleosides. Additionally, for some pentofuranose-1-phosphates, it was shown that they inhibit the action of some nucleoside phosphorylases.
Industrially, ⍺-D-pentofuranose-1-phosphates are synthesized chemically by multi-step and laborious processes that result in a low final yield which is an anomeric mixture (⍺- and Beta-). This mixture is difficult to separate. Their use as a universal glycosylating agent for the synthesis of nucleosides and analogues thereof has been limited by their scarce availability that resulted from their tedious synthesis. Nucleosides and their analogues are clinically and biotechnologically important molecules that are used in diverse applications including chemotherapy, cell visualization and protein detection.
The enzymatic synthesis of the ⍺-D-pentofuranose-1-phosphates is an interesting alternative synthesis route. Five natural and modified ⍺-D-pentofuranose-1-phosphates; ⍺-D-ribofuranose-1-phosphate, 2-deoxy-⍺-D-ribofuranose-1-phosphate, ⍺-D-arabinofuranose-1- phosphate, 2-deoxy-2-fluoro-⍺-D-arabinofuranose-1-phosphate, and 2-deoxy-2-fluoro-⍺-D-ribofuranose-1-phosphate, were enzymatically synthesized by thermostable pyrimidine nucleoside phosphorylases as apure ⍺-anomer. These pentose-1-phosphates were purified as their barium salts in gram scale with a purity > 95% and were applied for the enzymatic synthesis of eniluracil nucleoside derivatives.
Using both; transglycosylation and direct glycosylation approaches, the synthesis of 5-ethynyl-deoxyuridine, (2'S)-2'-deoxy-2'-fluoro-5- ethynyluridine, and 2'-deoxy-2'-fluoro-5-ethynyluridine was evaluated and their yields were compared. The direct glycosylation reaction showed a significantly higher yield for the synthesis of all the tested compounds. Thus, our results showed the selective enzymatic synthesis of the alpha-anomer of pentofuranose-1-phosphates with high purity and their superior use as precursors for the synthesis of modified by direct glycosylation reaction.
⍺-D-Pentofuranose-1-phosphat ist ein Schlüsselmolekül im Pentose-Phosphat-Weg sowie im Nukleosid / Nukleotid-Stoffwechselweg. Es wird physiologisch synthetisiert aus D-Pentosen durch Phosphopentomutase oder aus Nukleosiden durch Nukleosidphosphorylasen. Es wird als Kohlenstoff- und Energieträger verwendet entweder direkt in der Glykolyse oder über den Pentose-Phosphat-Weg. Pentofuranose-1-phosphate sind interessante Vorläufermoleküle für die Synthese von natürlichen und modifizierten Nukleosiden. Darüber hinaus wurde für einige Pentofuranose-1-phosphate gezeigt, dass sie die Wirkung einiger Nukleosid-Phosphorylasen hemmen.
Industriell werden ⍺-D-Pentofuranose-1-phosphate durch mehrstufige und langwierige chemische Verfahren synthetisiert. Dies führt zu einer geringen Endausbeute, da eine Mischung aus beiden anomeren Formen (⍺- und beta-) entsteht, die nur schwer zu trennen sind. Ihre Verwendung als universelles Startmolekül für die Synthese von Nukleosiden bzw. Nukleosidanaloga war aufgrund der komplizierten Herstellung nur eingeschränkt möglich. Natürliche und modifizierte Nukleoside sind klinisch und biotechnologisch wichtige Moleküle, die in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, u.a. in der Chemotherapie, bei der Zellvisualisierung und beim Proteinnachweis.
Die enzymatische Synthese dieser potentiell wichtigen Moleküle ist daher zunehmend von großem Interesse. Fünf ⍺-D-Pentofuranose-1-phosphate (⍺-D-Ribofuranose-1-phosphat, 2-Desoxy-⍺-D-ribofuranose-1-phosphat, ⍺-D-arabinofuranose-1-phosphat, 2-desoxy-2-fluoro-⍺-D-arabinofuranose-1-phosphat, 2-Desoxy-2-fluoro-⍺-D-ribofuranose-1 phosphat) wurden in dieser Arbeit durch thermostabile Pyrimidinnukleosidphosphorylasen enzymatisch synthetisiert. Diese Pentose-1-phosphate wurden als ihre Bariumsalze im Grammmaßstab gereinigt und wurden für die enzymatische Synthese von Enyluracil-Nukleosid-Derivaten verwendet.
Unter Nutzung der Transglykosylierungsreaktion oder der direkten Glycosylierungsmethode wurden 5-Ethinyldeoxyuridin, (2'S)-2'-Desoxy-2'-fluoro-5-ethinyluridin und 2'-Desoxy-2'-fluoro-5-ethinyluridin hergestellt. Die direkte Glycosylierungsreaktion zeigte für alle getesteten Verbindungen eine signifikant höhere Ausbeute. Es zeigte sich, dass die enzymatische Synthese modifizierter Pentofuranose-1-phosphate mit sehr hoher Reinheit (> 95%, nur ⍺ anomer) möglich war. Die produzierten Verbindungen waren sehr gut geeignet für die Synthese modifizierter Nukleoside in Glykosylierungsreaktionen.
pentose-1-phosphatealpha-D-pentofuranose-1-phosphate2'-deoxy-2'-fluoro-modified pentofuranose-1-phosphatethermostable pyrimidine nucleoside phosphorylasemodified nucleoside analoguesPentose-1-Phosphatalpha-D-Pentofuranose-1-Phosphat2'-Desoxy-2'-fluormodifiziertes Pentofuranose-1-Phosphatthermostabile Pyrimidinnukleosidphosphorylasemodifizierte Nukleosidanaloga
