Myxobacterial P450s as drug metabolizers : derivatization and metabolite production of drugs

Abstract

Since many years, myxobacterial cytochrome P450 enzymes from Sorangium cellulosum gained attention as biocatalysts for different compounds. However, their application in the pharmaceutical and biotechnological industry, especially for the derivatiza-tion and metabolite production of drugs, remained unclear. Investigations on EpoK, a P450 responsible for the epoxidation of epothilone C/D from S. cellulosum So ce90, resulted in the establishment of the most efficient redox system to date with potential biotechnological application. Additionally, three P450s of S. cellulosum So ce56, CYP265A1, CYP266A1 and CYP267B1, were found to hydroxylate epothilone D. The latter one was also able to form a novel epothilone derivative, 7-ketone epothilone D, with potential antitumor activity. With respect to the production of human drug metabolites, the CYP267 family was found to contain versatile drug metabolizers. Especially CYP267B1 showed the ability to convert structurally diverse drug compounds with high selectivity. In combination with the established co-expression of the autologous redox partners Fdx8 and FdR_B in E. coli, a multi-milligram production of the human drug metabolites chlorpromazine sulfoxide, 4’-hydroxydiclofenac, 2-hydroxyibuprofen, omeprazole sulfone and thioridazine-5-sulfoxide was achieved. In addition, CYP267B1 was characterized as a bacterial P450s with an uncommon broad substrate range and displays a great potential for a diverse biotechnological applicability.

Seit einigen Jahren sind myxobakterielle Cytochrom P450 Enzyme aus Sorangium cellulosum als Biokatalysatoren für verschiedenste Verbindungen bekannt. Allerdings blieb deren Einsatz für eine biotechnologische Herstellung von Arzneimittelderivaten und -metaboliten ungeklärt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde für CYP167A1 (EpoK) aus S. cellulosum So ce90, verantwortlich für die Epoxidierung von Epothilon C/D, das zurzeit effizienteste Redoxsystem mit großem biotechnologischen Potenzial etabliert. Zusätzlich wurden CYP265A1, CYP266A1 und CYP267B1 aus S. cellulosum So ce56 als Hydroxylasen von Epothilone D identifiziert und das neue Derivat 7-Keton-Epothilon D mit potenzieller Antitumoraktivität als Produkt von CYP267B1 charakterisiert. Des Weiteren konnte die CYP267 Familie, bestehend aus CYP267A1 und CYP267B1, als vielseitige und selektive Biokatalysatoren für die Produktion von Arzneimittelmetaboliten etabliert werden. Im Speziellen konnte mit CYP267B1 und der Co-expression der autologen Redoxpartner Fdx8 und FdR_B die Produktion der humanen Arzneimittelmetabolite Chlorpromazin-Sulfoxid, 4’-Hydroxydiclofenac, 2-Hydroxyibuprofen, Omeprazol-Sulfon und Thioridazine-5-Sulfoxid im multi-Milligramm Maßstab erzielt werden. Mit CYP267B1 wurde ein bakterielles P450 Enzym mit einem außergewöhnlich großen Substratspektrum entdeckt, das ein großes Potenzial für diverse biotechnologische Anwendungsmöglichkeiten bereithält.