迅速なワンステップ酵素合成とトレハロース類似体のすべての水精製

トレハロースは、1,1-α、αグリコシド結合（ 図1A）によって結合された2つのグルコース部分からなる対称な非還元性二糖類です。トレハロースは、ヒトおよび他の哺乳動物には存在しないが、それは、細菌、真菌、植物、無脊椎動物¹に一般的に見出されます。ほとんどの生物におけるトレハロースの主な役割は、乾燥¹などの環境ストレスから保護することです。また、いくつかのヒト病原体は、細胞エンベロープ生合成のメディエーターとしておよび免疫脂質²の構築のためのビルディングブロックとしてトレハロースを用いる結核を引き起こす結核菌を含む、毒性のためにトレハロースを必要とします。

図1： トレハロースとトレハロース類似体。 （Xは構造的な変更であり、天然トレハロースと不自然なトレハロースアナログの）構造。 （B）バイオプリザベーションとバイオイメージングにおける潜在的なアプリケーションを持っている文献に報告トレハロースアナログの例を。

、そのユニークな構造と生理機能に、トレハロースは、バイオ（テクノ）で使用するための論理的および生物医学的応用^3を大きな注目を集めています。 nature- 例えばで観察されたトレハロースの保護特性は、その印象的な能力は⁴ -haveはバイオプリザベーション・アプリケーションでその広範な使用に拍車をかけ極度の脱水を受けた"復活"植物の生活を維持するのに役立ちます。トレハロースは、核酸、タンパク質、細胞、および組織³のような生物学的サンプルの広い配列を保存するために使用されてきました。例えば、トレハロースは、医薬品tの数で安定化添加剤として使用されています帽子は³いくつかの抗癌モノクローナル抗体を含む、市販されています。同様に、トレハロースは、食品業界で甘味料として使用され、それが広く両方食品および化粧品産業における製品の保存のために使用されます。商用アプリケーションのこれらの種類のトレハロースの採用は、当初、天然の供給源から、または合成により純粋なトレハロースの大量を得ることができないことによって制限されていました。しかしながら、澱粉からトレハロースの経済的な生産のための効率的な酵素的方法は、最近、広範な商業的使用に拍車をかけている、開発されています ^5。

（ 図1Aに示される一般構造、 図1（b）に示すトレハロース類似体の具体例）化学トレハロース類似体と呼ぶ、トレハロース誘導体を改変、様々な用途にますます注目を集めている⁶。例えば、ラクトトレハロース、ガラクトースで置き換え、そのグルコース単位のいずれかのトレハロースアナログであり、従って、その4位のヒドロキシル基が反転立体化学構成を有しています。ラクトトレハロースはトレハロースと同様の安定化特性を有するが、ノンカロリー食品添加物^6,7などが魅力的、腸の酵素による分解に耐性です。

トレハロース類似体における当社グループの持分は、主にマイコバクテリア特異的プローブおよび阻害剤としてのそれらの値に関係します。バリーとデイビス基は蛍光顕微鏡⁸によりその検出を可能にする、生結核菌の細胞壁を標識代謝することが示されたFITCケトトレハロース命名フルオレセイン共役ケトトレハロースアナログを開発しました。ベルトッツィラボは、代謝、細胞壁にラベルを付け、その後DET可能性が小さいアジドトレハロース（TreAz）類似体を開発しましたクリック化学と蛍光分析^9を使用してected。これらの進歩は、結核のための画像診断剤としてトレハロースベースのプローブを使用する可能性を指します。トレハロース類似体はまた、生存率および病原^10、11、12のために必須である細菌で経路を破壊するために、それらの潜在的に結核菌の阻害剤として追求されてきました。

これまで、バイオ（テクノ）論理及び生物医学的用途のためにトレハロースアナログを開発する主な障害は、効率的な合成方法がないことです。トレハロースの類似体を製造するには2つの伝統的なルートは、化学合成（ 図2）に依存しています。他が適切に官能単糖ビルディングブロックで始まり、に化学的グリコシル化を実行する必要が、一方の経路は、天然トレハロースの非対称化/変更を伴います1,1-α、αグリコシド結合を築きます。最近の総説^13、14で議論されてきたこれらのアプローチは、 結核菌 ¹⁵からそのようなスルホ脂質-1のような複雑なトレハロース含有天然物、少量の多段階合成を達成するために有用であることが判明しました。しかしながら、両方のアプローチは、非化学者に一般的に、時間がかかり、非効率的なアクセス不能であり、そして、さらに、環境に優しいとはみなされません。したがって、トレハロース類似体の特定の種類を合成するため、これらの戦略は理想的ではありません。

図2： トレハロースアナログ合成へのアプローチ。化学は難しいPROTECを伴う多段階の手順を使用し、左に示し、トレハロースアナログ合成へのアプローチ化/脱保護、非対称化、および/またはグリコシル化のステップ。右側に示す酵素合成は、立体選択的に水溶液中で類似体をトレハロースするための簡単な、保護されていない基質を変換する酵素（複数可）を使用しています。本明細書で報告酵素プロトコルは、単一のステップでトレハロースの類似体へのグルコース類似体およびUDP-グルコースを変換するトレハロース合成酵素（TRET）酵素を使用しています。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

トレハロースアナログへの効率的な生体触媒ルートは、製造、評価し、分子のこの有望なクラスの適用を容易にするであろう。トレハロースの生産⁵用の市販の酵素処理は、それが基質として澱粉を使用しているため類縁体を合成に適応可能ではありませんが、他の生合成経路がありますトレハロースアナログ合成のために利用することができる自然の中での方法。しかし、最近^6を検討したこの地域での研究は、制限されています。一つのレポートには、対応するフルオログルコースからの単一フルオロトレハロースアナログにアクセスするには、 大腸菌（Escherichia coli）トレハロース生合成経路に触発されたメソッドを使用していました。しかしながら、このアプローチは、限られた効率と汎用^8を有する三酵素系を必要とします。探索された別のアプローチは、原理的にはグルコースアナログおよびグルコース-1-リン酸^6、16、17からトレハロース類似体の一段階合成を可能にする逆方向にトレハロースホス（TREP）を使用することです。このアプローチは、将来有望であることができるが、両方の反転と保持TrePs現在アナログ合成のための欠点を有します。例えば、反転TrePsは法外EXPEを持っていますnsiveドナー分子（β-D-グルコース1-リン酸）と保持TrePsが悪い酵素発現収量/安定性と限られた基板の混乱を持っています。 TREP媒介アナログ合成が実用的である前に（酵素工学を介して、例えば ）重要な改善が必要とされるであろう。

現時点では、トレハロース類似体の酵素合成のための最も実用的なアプローチは、グルコースおよびウリジン二リン酸（UDP）は、単一のステップ⁶でトレハロースに-グルコース変換トレハロース合成酵素（TRET）酵素を使用することです。我々は最近、グルコース類似体およびUDP-グルコース（ 図^3）19からトレハロース類似体を合成-to サーモテナックス TRET、耐熱性および一方向の酵素¹⁸の使用を報告しました。この酵素は、合成方向に動作し、TREPのシステムで検出されたトレハロースの劣化の問題を回避できます。このワンステップ反応coul1時間で完了さD、及び（高速液体クロマトグラフィー（HPLC）によって決定されるように> 99％まで）トレハロースアナログの広範な種々の高収率でアクセスされた容易に入手可能なグルコース類似体基質から（代表的な結果の表1を参照セクション）。

図3： トレハロースアナログのTRET触媒による一段階合成。 T.テナックスからTRET酵素は、立体選択的に1ステップでトレハロースの類似体を形成するために容易に利用可能なグルコース類似体およびUDP-グルコースに参加することができます。 R ^{1〜R 4} =可変構造変更、例えばアジド、フルオロ、デオキシ、チオ、立体化学、または同位体ラベルの変更のため、 Yは、例えば、酸素または硫黄、または同位体標識されたヘテロための変数のヘテロ原子を=。

ここでは、広告を提供します発現および精製TRETの大腸菌から、最適化されたTRET反応条件、および完全に水性相で行われる改良された精製法を含む、TRET合成処理するためのプロトコルをetailed。この修正されたプロトコルは、セミ分取スケール（10-100 mg）を上の多様なトレハロースアナログの好都合かつ効率的な合成及び精製を可能にします。我々はまた、マイコバクテリア細胞の迅速な蛍光検出を有効にして1時間未満でマイコバクテリアにトレハロースベースのプローブを調製し、投与するために、このプロトコルの使用を実証します。