Generation of Novel Aminoglycoside Antibiotics by Enzymatic Synthesis

Abstract

Aminoglycosides that interrupt with protein synthesis by binding to bacterial ribosomes belong to one of the oldest classes of antibiotics. However, aminoglycoside-resistance among microorganisms raises clinical challenges. To address these challenge, chemically modified aminoglycosides have been developed that overcome the deactivation effect caused by aminoglycoside modifying enzymes (AMEs). Although the historical success of the classical chemical modification is commercialize, biotechnological methodology like chemo-enzymatic synthesis is expected to be an attractive alternative to invent structurally diverse effect. The present study primarily aimed to generate novel aminoglycoside analogs using enzymatic synthesis. First, 6'-N-acylated analogs (6'-N-buryryl-kanamycin and 6'-N-acetyl-isepamicin) were generated using aminoglycoside N-acetyltransferase (AAC) and acyl-CoAs, following which the (S)-4-amino-2-hydroxybutyric acid (AHBA) side chain of butirosin was incorporated into the natural aminoglycoside scaffolds via chemo-enzymatic synthesis using AHBA transfer enzymes and γ-L-Glu-AHBA-N-acetylcysteamine thioester (AHBA-SNAC) to generate the AHBA moiety-attached analogs (1-N-AHBA-6'-N-acetyl-neomycin B and 1-N-AHBA-6'-N-butyryl-kanamycin). Lastly, methyltransferases involved in the gentamicin biosynthesis were used to drive generation of 6'-N-methylated and 3''-N-methylated analogs (6'-N-methyl-isepamicin and 3''-N-methyl-amikacin). Through these enzymatic syntheses, the natural aminoglycosides could be successfully modified at positions, that are considered important for inducing antibacterial activity and stability against AMEs. This enzymatic methodology affords efficient access to unnatural aminoglycosides and enables the development of novel aminoglycoside derivatives.;아미노글리코사이드는 가장 오래된 항생제 종류 중 한 가지로 박테리아 리보솜에 결합하여 단백질 합성을 방해한다. 그러나 아미노글리코사이드에 내성을 가진 미생물의 등장으로 치료법에 문제가 되고 있다. 아미노글리코사이드 변형 효소에 의해 불활성화 되는 문제점을 극복하기 위한 새로운 아미노글리코사이드가 화학적 방법으로 개발되고 있다. 화학적 합성법이 대중화 되었지만, 보다 다양한 구조를 개발하기 위해 효소 합성법과 같은 생물학적인 방법 또한 흥미로운 합성법으로 연구되고 있다. 본 논문에서는 효소 합성법을 이용한 새로운 아미노글리코사이드 유도체의 생산을 목표로 하였다. 첫번째로, 아미노글리코사이드 아실기 전이 효소와 acyl-CoA를 이용하여 6'-N 위치가 변형된 유도체인 6'-N-butyryl-kanamycin과 6'-N-acetyl-isepamicin 생산에 성공하였다. 또한, 부티로신 생합성 유전자중에서 (S)-4-amino-2-hydroxybutyric acid (AHBA) 사슬을 접합하는 유전자를 선별하여, 1-N 위치가 변형된 아미노글리코사이드 유도체 생산에 성공하였다. AHBA 전이 효소와 합성한 γ-L-Glu-AHBA-N-acetylcysteamine thioester (AHBA-SNAC) 을 이용하였으며 1-N-AHBA-6'-N-acetyl-neomycin B 와 1-N-AHBA-6'-N-butyryl-kanamycin를 생산하였다. 마지막으로, 젠타마이신 생합성에 관여하는 메틸화 효소를 이용하여 6'-N 위치와3''-N 위치에 메틸기를 도입한 유도체를 생산하였다. 새로운 구조체인 6'-N-methyl-isepamicin 와 3'-N-methyl-amikacin 이 이에 해당된다. 이상의 연구 결과는, 효소 합성법을 통하여 기존의 아미노글리코사이드 구조에서 향균 활성과 안정성에 중요하다고 생각되는 위치를 성공적으로 변형시키고, 이는 내성균에 대항할 수 있음을 시사한다. 향후 효소 합성법은 아미노글리코사이드 계열의 신규 유도체 생산에 다양하게 적용되어 새로운 의약품의 전구체를 효율적으로 개발하는 데에 이용할 수 있을 것으로 예상된다.