Genetische und biochemische Grundlage der Indolalkaloidbildung in Basidiomyceten und biotechnologische Produktion des Psilocybins

The structural diversity and genetic and enzymatic foundations of indole alkaloid biosynthesis in Basidiomycetes of Psilocybe spp. were investigated. Through in silico analyses and heterologous expression, the biosynthesis of psilocybin was elucidated, identifying the responsible genes and biochemically and phylogenetically characterizing the resulting enzymes. Psilocybin biosynthesis is catalyzed by four enzymes: L-tryptophan decarboxylase PsiD, cytochrome P450 monooxygenase PsiH, kinase PsiK, and N-methyltransferase PsiM, which are unique secondary metabolite enzymes whose substrate specificities revealed a sequence differing from the previously postulated pathway.

Study at a glance

Abstract

In der gegenwärtigen Arbeit wurden die Strukturvielfalt und die genetischen und enzymatischen Grundlagen der Indolalkaloidbiosynthese in Basidiomyceten in Psilocybe spp. untersucht. Durch in silico-Analysen und heterologe Expression ist es gelungen, die Biosynthese des Psilocybins aufzuklären, die verantwortlichen Gene zu identifizieren und die resultierenden Enzyme biochemisch und phylogenetsich zu charakterisieren. Die Psilocybin-Biosynthese wird dabei durch vier Enzyme katalysiert, nämlich die L-Tryptophan-Decarboxylase PsiD, die Cytochrom-P450-Monooxygenase PsiH, die Kinase PsiK und die N-Methyltransferase PsiM, die einzigartige Sekundärmetabolit-Enzyme darstellen und deren Substratspezifitäten eine zu der bisher postulierten Biosynthese abweichenden Abfolge belegte. Aufbauend auf dem erlangten Wissen aus der Psilocybin-Biosynthese konnte die erfolgreiche Entwicklung mehrerer in vitro- und in vivo-Routen für das Psilocybin sowie den drei nicht-natürlichen Derivaten Isonorbaeocystin, 5-Methylpsilocybin und 6-Methylpsilocybin beschrieben werden. Dies könnte die Grundlage für die Weiterentwicklung von kostengünstigen und umweltfreundlichen Herstellungsverfahren für den pharmazeutisch höchstrelevanten Naturstoff sein. Die erzeugten Derivate könnten zudem helfen, die serotonerge Neurotransmission im Menschen besser zu verstehen. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse könnten bei der Sicherstellung der Versorgung von Psilocybin helfen, was das Durchführen weiterer klinischer Studien unterstützen könnte. Bei einer erneuten Sekundärmetabolom-Analyse verschiedener Psilocybe-Arten konnten, neben weiteren Indolalkaloiden, verschiedene β-Carboline identifiziert werden, die als potente Monoaminooxidase-Hemmer möglicherweise einen bisher unentdeckten synergistischen Effekt auf die Wirkung des Psilocybins haben könnten.