A selective and atom-economic rearrangement of uridine by cascade biocatalysis for production of pseudouridine

假尿苷 生物催化 化学 核苷 催化作用 立体化学 尿苷 组合化学 核糖核酸 生物化学 反应机理 基因
作者
Martin Pfeiffer,Andrej Ribar,Bernd Nidetzky
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:20
标识
DOI:10.1038/s41467-023-37942-7
摘要

As a crucial factor of their therapeutic efficacy, the currently marketed mRNA vaccines feature uniform substitution of uridine (U) by the corresponding C-nucleoside, pseudouridine (Ψ), in 1-N-methylated form. Synthetic supply of the mRNA building block (1-N-Me-Ψ-5'-triphosphate) involves expedient access to Ψ as the principal challenge. Here, we show selective and atom-economic 1N-5C rearrangement of β-D-ribosyl on uracil to obtain Ψ from unprotected U in quantitative yield. One-pot cascade transformation of U in four enzyme-catalyzed steps, via D-ribose (Rib)-1-phosphate, Rib-5-phosphate (Rib5P) and Ψ-5'-phosphate (ΨMP), gives Ψ. Coordinated function of the coupled enzymes in the overall rearrangement necessitates specific release of phosphate from the ΨMP, but not from the intermediary ribose phosphates. Discovery of Yjjg as ΨMP-specific phosphatase enables internally controlled regeneration of phosphate as catalytic reagent. With driving force provided from the net N-C rearrangement, the optimized U reaction yields a supersaturated product solution (∼250 g/L) from which the pure Ψ crystallizes (90% recovery). Scale up to 25 g isolated product at enzyme turnovers of ∼105 mol/mol demonstrates a robust process technology, promising for Ψ production. Our study identifies a multistep rearrangement reaction, realized by cascade biocatalysis, for C-nucleoside synthesis in high efficiency.
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