Chemical Logic of Peptide Branching by Iterative Nonlinear Nonribosomal Peptide Synthetases

非核糖体肽 化学 硫酯酶 铁载体 硫酯 立体化学 生物合成 氨基酸 腺苷酸化 组合化学 生物化学 基因
作者
Jinping Yang,Adam Balutowski,Chinmay Trivedi,Timothy A. Wencewicz
出处
期刊:Biochemistry [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.biochem.4c00749
摘要

Branch-point syntheses in nonribosomal peptide assembly are rare but useful strategies to generate tripodal peptides with advantageous hexadentate iron-chelating capabilities, as seen in siderophores. However, the chemical logic underlying the peptide branching by nonribosomal peptide synthetase (NRPS) often remains complex and elusive. Here, we review the common strategies for the biosynthesis of branched nonribosomal peptides (NRPs) and present our biochemical investigation on the NRPS-catalyzed assembly of fimsbactin A, a branched mixed-ligand siderophore produced by the human pathogenic strain Acinetobacter baumannii. We untangled the unusual branching mechanism of fimsbactin A biosynthesis through a combination of bioinformatics, site-directed mutagenesis, in vitro reconstitution, molecular modeling, and molecular dynamics simulation. Our findings clarify the roles of the fimsbactin NRPS enzymes, uncovering catalytically redundant domains and identifying the multifunctional nature of the FbsF cyclization (Cy) domain. We demonstrate the dynamic interplay between l-serine and 2,3-dihydroxybenzoic acid derived dipeptides, partitioning between amide and ester forms via a 1,2-N-to-O-acyl shift orchestrated by the noncanonical, multichannel FbsF Cy domain. The branching event occurs in a secondary condensation event facilitated by this Cy domain with two dipeptidyl intermediates, which generates a branched tetrapeptide thioester. Finally, the terminal condensation domain of FbsG recruits a soluble nucleophile to release the final product. This study advances our understanding of the intricate biosynthetic pathways and chemical logic employed by NRPSs, shedding light on the mechanisms underlying the synthesis of complex branched peptides.
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