Alkilpirazinų katabolizmas bakterijose yra prastai ištirtas. Nors yra žinomi tarpiniai metabolitai susidarantys skaidant di- ir tri- pakeistus alkilpirazinus, tačiau šių junginių skaidymas prasideda hidroksilinimo reakcija, kuri negalima tetrametilpirazino atveju. Šiame darbe pirmą kartą nustatytas tetrametilpirazino katabolizmo kelias šį junginį skaidančiose Rhodococcus jostii TMP1 bakterijose. MS/MS de novo sekoskaitos būdu identifikavus tetrametilpirazinu indukuojamą baltymą, buvo nustatyta genų sankaupa, koduojanti pradines tetrametilpirazino katabolizmo reakcijas katalizuojančius fermentus ir transkripcijos reguliatorių, dalyvaujantį šių genų aktyvavime. Pradiniame tetrametilpirazino skaidymo etape monooksigenazė TpdAB katalizuoja oksidacinį žiedo atidarymą, susidarant (Z)-N,N'-(but-2-ene-2,3-diil)diacetamidui. Tolesnę skaidymo reakciją katalizuoja amidazė TpdC, kurios produktą N-(3-oksobutan-2-il)acetamidą aminoalkoholių dehidrogenazė TpdE redukuoja iki N-(3-hidroksibutan-2-il)acetamido. Nustačius tarpinius tetrametilpirazino skaidymo metabolitus, reakcijas katalizuojančius fermentus ir juos koduojančius genus buvo rekonstruotas pirmasis alkilpirazinų katabolizmo kelias bakterijose. Darbo metu taip pat parodyta, kad Rhodococcus jostii TMP1 bakterijos modifikuoja daugelį alkilpirazino ir alkilpiridino junginių ir gali būti panaudotos 2,4,6-trimetilpiridin-3-olio biosintezei iš 2,4,6-trimetilpiridino. / The catabolism of alkylpyrazines is poorly described. The pathways for the degradation of di- and tri-substituted pyrazines have been proposed, but these related routes consistently include a hydroxylation step that cannot be performed on tetramethylpyrazine. Here we describe for the first time the catabolic pathway of tetramethylpyrazine in tetramethylpyrazine-degrading Rhodococcus jostii TMP1 strain. MS/MS analysis of the protein primarily upregulated by tetramethylpyrazine led to the identification of the gene locus encoding proteins required for the initial steps of tetrametylpyrazine degradation and for the regulation of this locus. Tetramethylpyrazine degradation starts with oxidative ring cleavage catalysed by monooxygenase TpdAB, which produces (Z)-N,N'-(but-2-ene-2,3-diyl)diacetamide. This compound is further hydrolysed by amidase TpdC to N-(3-oxobutan-2-yl)acetamide. TpdE was confirmed to be an aminoalcohol dehydrogenase yielding N-(3-hydroxybutan-2-yl)acetamide. By determining intermediates, enzymes involved and genes responsible for tetramethylpyrazine degradation we provide the first validated pathway for pyrazine degradation. We also report that Rhodococcus jostii TMP1 is capable of modifying various alkylpyrazines and alkylpyridines and can be employed for the bioconversion of 2,4,6-trimethylpyridine and 2,4,6-trimethylpyridin-3-ol biosynthesis.

The catabolism of alkylpyrazines is poorly described. The pathways for the degradation of di- and tri-substituted pyrazines have been proposed, but these related routes consistently include a hydroxylation step that cannot be performed on tetramethylpyrazine. Here we describe for the first time the catabolic pathway of tetramethylpyrazine in tetramethylpyrazine-degrading Rhodococcus jostii TMP1 strain. MS/MS analysis of the protein primarily upregulated by tetramethylpyrazine led to the identification of the gene locus encoding proteins required for the initial steps of tetrametylpyrazine degradation and for the regulation of this locus. Tetramethylpyrazine degradation starts with oxidative ring cleavage catalysed by monooxygenase TpdAB, which produces (Z)-N,N'-(but-2-ene-2,3-diyl)diacetamide. This compound is further hydrolysed by amidase TpdC to N-(3-oxobutan-2-yl)acetamide. TpdE was confirmed to be an aminoalcohol dehydrogenase yielding N-(3-hydroxybutan-2-yl)acetamide. By determining intermediates, enzymes involved and genes responsible for tetramethylpyrazine degradation we provide the first validated pathway for pyrazine degradation. We also report that Rhodococcus jostii TMP1 is capable of modifying various alkylpyrazines and alkylpyridines and can be employed for the bioconversion of 2,4,6-trimethylpyridine and 2,4,6-trimethylpyridin-3-ol biosynthesis. / Alkilpirazinų katabolizmas bakterijose yra prastai ištirtas. Nors yra žinomi tarpiniai metabolitai susidarantys skaidant di- ir tri- pakeistus alkilpirazinus, tačiau šių junginių skaidymas prasideda hidroksilinimo reakcija, kuri negalima tetrametilpirazino atveju. Šiame darbe pirmą kartą nustatytas tetrametilpirazino katabolizmo kelias šį junginį skaidančiose Rhodococcus jostii TMP1 bakterijose. MS/MS de novo sekoskaitos būdu identifikavus tetrametilpirazinu indukuojamą baltymą, buvo nustatyta genų sankaupa, koduojanti pradines tetrametilpirazino katabolizmo reakcijas katalizuojančius fermentus ir transkripcijos reguliatorių, dalyvaujantį šių genų aktyvavime. Pradiniame tetrametilpirazino skaidymo etape monooksigenazė TpdAB katalizuoja oksidacinį žiedo atidarymą, susidarant (Z)-N,N'-(but-2-ene-2,3-diil)diacetamidui. Tolesnę skaidymo reakciją katalizuoja amidazė TpdC, kurios produktą N-(3-oksobutan-2-il)acetamidą aminoalkoholių dehidrogenazė TpdE redukuoja iki N-(3-hidroksibutan-2-il)acetamido. Nustačius tarpinius tetrametilpirazino skaidymo metabolitus, reakcijas katalizuojančius fermentus ir juos koduojančius genus buvo rekonstruotas pirmasis alkilpirazinų katabolizmo kelias bakterijose. Darbo metu taip pat parodyta, kad Rhodococcus jostii TMP1 bakterijos modifikuoja daugelį alkilpirazino ir alkilpiridino junginių ir gali būti panaudotos 2,4,6-trimetilpiridin-3-olio biosintezei iš 2,4,6-trimetilpiridino.