Methanophenazin: Strukturaufklärung und Totalsynthese eines neuartigen Cofaktors aus methanogenen Archaea

Abstract

Methanogenese ist der abschließende Schritt beim Abbau komplexen organischen Materials und essentiell für die Mineralisation organischer Substanzen. Die Bildung von Methan aus einfachen Substraten wie H2 und CO2, Ameisensäure, Methanol, Methylaminen oder Essigsäure ist charakteristisch für die strikt anaeroben methanogenen Archaea. An der Bildung des Methans sind zahlreiche außergewöhnliche Enzyme und Cofaktoren beteiligt, wie man sie nur bei den Methanogenen findet. Die vorliegende Dissertation berichtet über die Reinigung, Strukturaufklärung und Totalsynthese von Methanophenazin (1), dem ersten Phenazinderivat aus methanogenen Archaea überhaupt. Methanophenazin (1) wurde aus Cytoplasmamembranen von Methanosarcina mazei Gö1 isoliert. Durch Aufreinigung eines Isooctan Rohextrakts aus Cytoplasmamembranen mittels HPLC konnten geringe Mengen an reiner Substanz 1 gewonnen werden. Die Aufklärung der Struktur gelang durch die Anwendung massenspektrometrischer (EI, HRMS) und NMR-spektroskopischer Methoden (1H, 13 C, H,H- und C,H-COSY). Bei dem neuen Naturstoff 1 handelt es sich um einen linearen Sesterterpenether von 2-Hydroxyphenazin (2). Die lipophile Seitenkette ist aus fünf isoprenoiden Einheiten aufgebaut, die in Kopf-Schwanz Manier miteinander verbunden sind. Die C5-Einheit, die direkt mit dem Aromaten verknüpft ist, ist gesättigt, während die verbleibenden Isopreneinheiten ungesättigt sind und einheitlich (E)-konfigurierte Doppelbindungen besitzen. Die retrosynthetische Analyse von 1 führt zu 2-Hydroxyphenazin (2) und der terpenoiden Einheit 3, die sich weiter in das Alkyliodid 6 und das (E)-Vinyliodid 7 zerlegen läßt. Die Verbindung 2 wurde durch Kondensation von 1,2,4-Trihydroxybenzol (45) und o -Phenylendiamin (5) zugänglich gemacht. Ausgehend von (R )-3-Methylglutarsäureethylester [(R)-11] wurde ein stereodivergenter Zugang zu den enantiomeren Bausteinen (R)-6 und (S)-6 ausgearbeitet. Zunächst wurde durch chemoselektive Reduktion der Carboxylgruppe von (R)-11 und anschließender Cyclisierung das Lacton (R)-12 synthetisiert, das im weiteren zu enantiomerenreinem (R)-6 umgewandelt werden konnte. Die Darstellung von (S )-1 begann mit der Transformation von (E,E)-Farnesylaceton (10) in das terminale Alkin 9, das durch Carboaluminierung und Abfangen der intermediär gebildeten Aluminiumspezies mit I2 in das (E)-Vinyliodid 7 übergeführt wurde. Eine Pd(0) katalysierte sp2-sp3 Kreuzkupplung von 7 mit dem Alkyliodid (R)-6 lieferte, nach Entschützen, den Alkohol (S)-78 in enantio- und diastereomerenreiner Form. Die Veretherung von 2-Hydroxyphenazin (2) mit (S)-78 ergab schließlich das Zielmolekül (S)-Methanophenazin [(S)-1]. Die spektroskopischen Daten von synthetischem Methanophenazin stimmen mit denen des Naturstoffs hervorragend überein. Da das Lacton (S)-12 sich ebenfalls aus (R)-3-Methylglutarsäureethylester [(R)-11] durch chemoselektive Reduktion seiner Estergruppe und anschließender Cyclisierung darstellen läßt, ist mit der vorgestellten Strategie auch die Grundlage zur Synthese von (R )-Methanophenazin [(R)-1] gelegt worden. Ausgehend von den leicht zugänglichen Synthesebausteinen 2-Hydroxyphenazin (2), (R)-3- Methylglutarsäureethylester [(R)-11] und (E,E)-Farnesylaceton (10) stellt die vorliegende Synthese einen stereodivergenten und konvergenten Zugang zu (S)-Methanophenazin [(S)-1] dar. Erste Experimente zur biologischen Funktion von 1 zeigen, daß das Molekül in der Lage ist, den Elektronentransport zwischen membrangebundenen Enzymen in gewaschenen Cytoplasmamembranen von Methanosarcina mazei Gö1 zu vermitteln. Demnach ist Methanophenazin (1) nicht nur das erste Phenazin aus methanogenen Archea, sondern es stellt auch das erste am Elektronentransport in biologischen System beteiligte Phenazinderivat dar. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, daß die Funktion von 1 im Energiestoffwechsel der Methanogenen mit der des Ubichinons in Mitochondrien und Bakterien vergleichbar ist.