Hannover, Universiẗat, Diss., 1996.

Freie Universiẗat, Diss., 2001--Berlin.

University, Diss., 2003--Jena.

Jena, Univ., Diss., 2004

University, Diss., 2005--Jena. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2004.

University, Diss., 2005--Jena.

Haemophilus influenzae ist ein fakultativ anaerobes, Gram-negatives Bakterium aus der Familie der Pasteurellacaea. Das physiologische Merkmal von H. influenzae ist die essentielle, aber defiziente Hämin- und Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD+) Biosynthese. Während Hämin für aerobes Wachstum benötigt wird, ist NAD+ sowohl für aerobes, als auch für anaerobes Wachstum essentiell. Als NAD+-abhängiger Organismus fehlen H. influenzae die meisten Enzyme für die NAD+-Biosynthese. Daher kann dieses Bakterium nur eine begrenzte Anzahl an Vorläufermolekülen, wie NAD+(P), Nikotinamid-Mono-Nukleotid (NMN) und Nikotinamid-Ribosid (NR) aus der Umwelt zur NAD+-Synthese nutzen. Andere NAD+-unabhängige Pasteurellacaea-Spezies, wie Haemophilus ducreyi, Pasteurella multocida und Actinobacillus actinomycetemcomitans, können auch kein NAD+ aus der de novo Biosynthese bereitstellen, diese Arten können aber zusätzlich auf Nikotinamid (NAm) wachsen. Die Erforschung des NAD+-Aufnahmesystems kann für die Entwicklung antimikrobieller Therapeutika von großem Interesse sein. Von unserer Arbeitsgruppe wurde die NAD+-Aufnahmeroute aufgeklärt; so werden NAD+(P) und NMN von e(P4) und NadN zu NR degradiert, nachdem NAD+ und NMN durch OmpP2 in das Periplasma gelangt sind. NR wird schließlich, als einziges Substrat, durch einen putativen Transporter in das Zytoplasma aufgenommen. In dieser Arbeit wurde der putative NR-Transporter als das hypothetische Gen HI1077.1 im Genom von H. influenzae identifiziert, welches nur 13,8% Identität zu Escherichia coli pnuC und 43,6% Identität zu P. multocida pnuC aufwies. Es konnten zwei Sequenzierungsfehler im original-annotierten Genom von H. influenzae gefunden werden, die zu einer Leserasterverschiebung geführt haben. HI1077.1 wurde zu pnuCHi reannotiert und weist nun eine 19,7% Identität zu pnuCEc und 71,4% Identität zu pnuCPm auf. Es wurde eine HI1077.1 Mutante konstruiert, die ein Wachstumsdefizit auf BHI-Platten bis zu einer NAD+-Konzentration von 15 mM bzw. unterhalb einer NR-Konzentration von 0,1 mM zeigte. Im Transport-Assay transportierte die HI1077.1 Mutante nur noch etwa 1% des eingesetzten NAD+- bzw. NR-Labels. Im Rattenversuch konnte gezeigt werden, dass das in vitro nicht essentielle pnuC in vivo sehr wohl essentiell ist. Die HI1077.1 Mutante verursachte, im Gegensatz zum Wildtyp und zur pnuC-Komplementante keine Bakteriämie mehr. Bei einer Komplementation mit NadV, kodierend für eine Nikotinamid-Phosphoribosyltransferase von H. ducreyi, wurde ebenfalls eine mit dem Wildtyp vergleichende Bakteriämie verursacht. Da bisher noch keine H. influenzae Isolate bekannt sind, die nadV besitzen, würde sich der hier identifizierte NR-Transporter von H. influenzae gut als antimikrobielles Ziel eignen. Die Protein-Topologie von PnuC wurde hinsichtlich der Membranlokalisation analysiert und PnuC konnte als ein Transmembranprotein bestätigt werden, das in der cytosolischen Membran lokalisiert ist. Durch PhoA und LacZ Analysen konnte die Topologie von PnuC aufgeklärt werden. Demnach besitzt PnuC acht Transmembrandomänen (TMD), wobei die N- und C-Termini im Cytosol lokalisiert sind. Die Analyse der strukturellen Funktion ergab, dass PnuC nur eine Unterbrechung der sechs letzten C-terminalen Aminosäuren (AS) toleriert, während die Proteinfunktion durch einen fusionierten C- und N-terminaler His-Tag nur mäsig beeinflusst wird. Des Weiteren wurde die Substratspezifität von PnuC untersucht. Dabei zeigte sich, dass der lange geglaubte NMN-Transporter von E. coli ebenfalls als NR-Transporter fungiert. Die Substratspezifität wurde auch bei A. actinomycetemcomitans und P. multocida untersucht. Es konnte festgestellt werden, dass A. actinomycetemcomitans und P. multocida ebenfalls als einziges Substrat NR transportieren können, aber im Gegensatz zu H. influenzae NAD+ und NMN nicht als NR-Quellen verwerten können, was wahrscheinlich auf das Fehlen von e(P4) und NadN zurückzuführen ist. Zusätzlich wurde in dieser Arbeit das Gen HI0308 untersucht. Um dem Aspekt der Energetisierung des PnuC-Transporters näher zu kommen, sind die Gencluster HI1078-HI1080 und HI0164-HI0171 in die Untersuchung mit einbezogen worden. Die Na+-NQR-Oxidoreduktase wurde im Hinblick ihrer Dehydrogenase-Aktivität genauer charakterisiert. Die Suche nach möglichen Inhibitoren von PnuC führte zu 3-Aminopyridin-Analoga. Durch eine Mutantenanalyse konnte gezeigt werden, dass 3-AADP, 3-AAD und 3-AmPR der selben Aufnahmeroute folgen wie NADP+, NAD+ und NR, und via PnuC in die Zelle aufgenommen werden. Darüber hinaus konnten wir nachweisen, dass NadR aus 3-AmPR und ATP das 3-AAD synthetisiert, welches als kompetitiver Inhibitor mit NAD+ in den zellulären Redoxreaktionen konkurriert und dadurch den Stoffwechsel hemmt. Des Weiteren wurden mehrere spontan 3-Aminopyridin-resistente H. influenzae Mutanten isoliert. / Haemophilus influenzae is a facultativ anaerobic, Gram-negative bacterium of the family of Pasteurellaceae. A physiological characteristic of H. influenzae is its essential but deficient hemin and NAD+ biosynthesis. While hemin is required for aerobic growth, NAD+ is essential for anaerobic and aerobic growth. As a NAD+ dependent organism H. influenzae lacks the enzymes for NAD+ biosynthesis and that is why it can only incorporate a limited number of precursor molecules, such as NAD+(P), NMN, and NR. Other NAD+-independent Pasteurellaceae such as Haemophilus ducreyi, Pasteurella multocida und Actinobacillus actinomycetemcomitans can grow on NAm, additionally to NR. Hence, the investigation of the NAD+ uptake system harbors some potential to be utilized for the development of antimicrobial therapeutics. Our laboratory has clarified the NAD+ uptake route; NAD+(P) and NMN are degraded by e(P4) and NadN to NR, after NAD+ and NMN reached the periplasm through OmpP2. Finally, NR is taken up in the cytoplasm through a putative transporter. In this study, the putative NR transporter was identified as the hypothetical gene HI1077.1 in the genome of H. influenzae, which showed only 13,8% identity to the pnuC of Escherichia coli and 43,6% identity to the pnuC of Pasteurella multocida. Two sequencing errors were found within the pnuC encoding region in the original annotated genome of H. influenzae, which produced frame shifts. After sequence correction HI1077.1 was re-annotated to pnuCHi now showing 19,7% identity to the pnuC of E. coli, and 71,4% identity to the pnuC of P. multocida. A knock-out mutation was constructed for HI1077.1, which showed a growth deficiency on BHI-plates, if supplemented with NAD+ on concentrations below 15 mM, and NR concentrations below 0,1 mM. In transport assay the HI1077.1 mutant only transported 1% of the provided NAD+ and NR label, respectively. In the rat model it could be shown that the pnuC knock-out mutation was essential. There in respect to bacterial growth in the animal model, the HI1077.1 mutant was not able to cause a bacteremia in contrast to the wild type and the pnuC-complemented mutant. When the mutant was complemented with nadV, encoding a nicotinamide phosphoribosyltransferase of H. ducreyi, bacteremia was maintained that was comparable with the one produced by the wild type. Since, so far there are no H. influenzae isolates known, which carry the nadV gene, hence the NR transporter serves for essential gene function and could be further investigated as a potential antimicrobial target. The topology of PnuC was also analysed. The localisation of PnuC was confirmed at the cytosolic membrane. The membrane topology of PnuC was resolved with the investigation of PhoA and LacZ insertion analysis. According to this, PnuC possesses eight transmembrane domains (TMD) with the N-and C-termini localized within the cytosole. The research of the structural function indicates that PnuC tolerates a truncation of the last six C-terminal amino acids, while the function of the protein was only moderately affected by fusions of a C- or N-terminal His-Tags. In addition, the substrate specificity of PnuC was investigated. Thereby, it was demonstrated that the NMN transporter in E. coli in fact acts as an NR transporter. The substrate specificity of A. pleuropneumoniae and P. multocida was also under examination. It was established that A. pleuropneumoniae and P. multocida can transport NR as the unique substrate. However, NAD+ and NMN could not serve as Substrats to deliver NR, raising the question, whether e(P4) or/and NadN function is present in these bacteria. Additionally, in this study the gene HI0308 was investigated. To approach the aspect of energizing the PnuC transporter and the residual low affinity NR uptake the gene cluster HI1078-HI1080 and HI0164-HI0171 were characterised. The Na+-NQR oxidoreductase was more precisely characterised with regard to the activity of the dehydrogenase. The search for putative inhibitors of PnuC yielded in the analysis of 3-aminopyridine analogs. In this work it was demonstrated, that 3-AADP, 3-AAD and 3-AmPR follow the same uptake route as NADP+, NAD+ and NR, and are taken up via PnuC into the cell. Furthermore, we were able to show that 3-AAD can be synthesized from 3-AmPR and ATP. 3-AAD most likely competes versus NAD+ in metabolic relevant redox reactions and thereby inhibits the biosynthesis rate of the cells. In addition, several 3-aminopyridin resistant H. influenzae mutants were isolated.

Die Natur entwickelte im Laufe der Evolution eine unvorstellbare Vielfalt an unterschiedlichsten Lebewesen. Viele diese Organismen besitzen die Fähigkeit, biologisch aktive Sekundärstoffe zu produzieren, die ihnen im täglichen Überlebenskampf einen Vorteil gegenüber ihren Konkurrenten bieten. Die Effizienz, mit der solche Naturstoffe in lebenden Organismen biosynthetisch dargestellt werden, wurde von der organisch-chemischen Synthese bislang nicht annähernd erreicht. Die Untersuchung von Biosynthese-Routen verspricht daher nicht nur die Entdeckung wissenschaftlich interessanter Phänomene, sondern bietet zudem die Chance, von der Natur zu lernen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen dabei deutlich, dass sowohl die genaue Analyse des Aufbaus bereits lange bekannter Metabolite, wie z.B. des Furanonaphthochinons I (FNQ I) oder des Chrysophanols, als auch die Untersuchung der Biosynthese strukturell neuartiger Sekundärstoffe, wie etwa des Sorbicillactons A, von großem Interesse sein können. Die gewonnenen Informationen können dann zur optimierten biotechnologischen oder synthetischen Produktion viel versprechender bioaktiver Substanzen genutzt werden. Auch die Gewinnung neuer Substanzen aus der Natur, z.B. als Leitstrukturen für die Pharma-Forschung, ist ein lohnendes Ziel. Eine stete Verbesserung der Methoden zur Charakterisierung von Naturstoffen, z.B. unter Anwendung von Online-Analyse-Verfahren, hilft dabei, die gezielte Entdeckung noch unbekannter Metabolite schneller und einfacher zu gestalten. Für die Aufklärung der Konstitution von Substanzen nützlich ist hier vor allem die Kopplung von HPLC mit NMR und MS, wie beispielsweise im Rahmen der Identifizierung von Secohyperforin und neuer mariner Macrolactame gezeigt. Die Kombination von HPLC mit CD bietet zudem die Chance zur effizienten Aufklärung der absoluten Stereostruktur chiraler Verbindungen direkt am Peak im Chromatogramm. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Isolierung, die biosynthetische und strukturelle Charakterisierung sowie die Produktion bioaktiver Sekundärstoffe unter Anwendung und Weiterentwicklung unterschiedlichster Konzepte und Methoden der Naturstoffchemie. Die vielfältigen Ergebnisse sind das Resultat von interdisziplinären Kooperationen innerhalb des SPP 1152 (DFG Schwerpunktprojekts 'Evolution metabolischer Diversität') und des vom BMBF geförderten Exzellenzzentrums BIOTECmarin ('Nachhaltige Nutzung mariner Schwämme'). / In the course of evolution nature has developed an unimaginable abundance of most diverse creatures. Most of these organisms produce biologically active secondary metabolites, which give them advantages over their competitors in their daily fight for survival. The efficiency of the biosynthesis of such natural products in living organisms has by far not been reached by organic-chemical synthesis. The investigation of biosynthetic routes therefore does not only promise to discover academically interesting phenomena, but additionally provides the chance to learn from nature. The results of the work presented here clearly show that both, the analysis of pathways to long-known metabolites, like, e.g., furanonaphthoquinone I (FNQ I) or chrysophanol, as well as investigations on the biosynthesis of structurally unprecedented, novel secondary metabolites, like, e.g., sorbicillactone A, can be of particular interest. The information thus obtained can then be utilized for an optimized biotechnological or synthetic production of promising biologically active compounds. The extraction of novel substances from natural sources, e.g., as lead structures for pharmaceutical research, is likewise a rewarding goal. The continuous improvement of methods for the characterization of natural products, e.g., by application of online analytical methods, helps to accelerate and to simplify the directed discovery of as yet unknown metabolites. To elucidate the constitutions of compounds, the hyphenation of HPLC with NMR and MS is of particular value, as it becomes obvious from the identification of secohyperforin and of new marine macrolactams. The combination of HPLC and CD additionally offers the possibility to elucidate full absolute stereostructures of chiral compounds directly from the peak in the chromatogram. The aim of the present work was the isolation, characterization, and production of secondary metabolites by applying und further developing diverse concepts and methods of natural products chemistry. The versatile findings are the result of interdisciplinary cooperations within the SPP 1152 (DFG priority programme 'Evolution of Metabolic Diversity') and the BMBF-funded center of excellence BIOTECmarin ('Sustainable Use of Marine Sponges').

In der vorliegenden Arbeit werden instrumentell-analytische Studien zur enzymatischen und chemischen Bildung von 4-Hydroxy-2,5-dimethyl-3(2H)-furanon (HDMF) und 4-Hydroxy-5-methyl-3(2H)-furanon (HMF) – zwei wichtigen Aromakomponenten zahl-reicher Früchte und verarbeiteter Lebensmittel – vorgestellt. Die Studien demonstrieren erstmals die Bildung dieser Verbindungen aus Zuckerphosphaten unter physiologischen Reaktionsbedingungen. Ein Schwerpunkt der Arbeiten lag dabei auf der Bildung von HDMF aus D-Fructose-1,6-diphosphat (Fru-1,6-dP) durch den Hefestamm Zygosaccharomyces rouxii. Der Zusatz von 1-13C-Fru-1,6-dP bzw. 13C6-D-Glucose zum Nährmedium der Hefe Z. rouxii zeigte, dass ausschließlich exogen zugesetztes Fru-1,6-dP durch die Hefe zu HDMF transformiert wird. Untersuchungen, in denen der Einfluss verschiedener Wachstumsbedingungen auf die HDMF-Bildung durch Z. rouxii getestet wurde, zeigten bezüglich der HDMF-Bildung ein pH-Optimum bei pH 5.1 sowie eine maximale Produktivität der Zellen bei einer NaCl-Konzentration von 20%. Mittels einer neu entwickelten cKZE-Methode wurde für durch Z. rouxii gebildetes HDMF eine Enantiomerenanreicherung von 27%ee nachgewiesen, was eine enantioselektive Biosynthese durch Enzymsysteme der Hefe impliziert. Als Grundvoraussetzung für den Nachweis einer Enantiomerenanreicherung im HDMF-Molekül stellte sich ein schwach-saurer pH-Wert des wässrigen Mediums heraus. Dies konnte durch Ermittlung der Tautomerisierungsgeschwindigkeit des HDMF-Moleküls mittels 1H-NMR-Spektroskopie belegt werden. Anhand von HPLC-MS/MS-Analysen wurde die Bildung von HMF in zellfreien cytosolischen Rohproteinextrakte aus Z. rouxii, welche mit Fru-1,6-dP und Nicotinamidadenindinucleotiden (NAD, NADH, NADP, NADPH) inkubiert worden waren, nachgewiesen. In Substratstudien wurde HMF nach Applikation von Fru-1,6-dP, D-Fructose-6-phosphat, D-Glucose-6-phosphat, 6-Phosphogluconsäure, D-Ribose-5-phosphat (Rib-5-P) und D-Ribulose-1,5-diphosphat an cytosolische Proteinextrakte nachgewiesen. Die für die Transformationen der Hexosephosphate zu D-Ribulose-5-phosphat (Ribu-5-P) benötigten Enzyme Fructose-1,6-diphosphatase, Phosphohexose-Isomerase, Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase und 6-Phosphogluconsäure-Dehydrogenase konnten mittels spezifischer Enzymassays in den cytosolischen Extrakten nachgewiesen werden. Gebildetes Ribu-5-P wird im Folgenden spontan in HMF umgelagert (> 1%). Die Inkubation von Phosphoribose-Isomerase mit Rib-5-P in Gegenwart von o-Phenylendiamin (o-PD) führte zur Bildung von 2-Methyl-3-(1,2-dihydroxyethyl)-quinoxalin, das anhand seiner UV-, MS- und NMR-Daten eindeutig identifiziert wurde. Daraus konnte die Bildung von 4,5-Dihydroxy-2,3-pentandion (DPD) in den Reaktionsansätzen abgeleitet werden, was durch die Synthese der entsprechenden deuterierten bzw. unmarkierten Alditolacetat-Derivate und anschließende HRGC-MS-Analyse abgesichert wurde. Durch Inkubation von 1-13C-Ribu-5-P bzw. 5-13C-Ribu-5-P mit o-PD und HPLC-MS/MS-Analyse der entstandenen Quinoxalinderivate konnte gezeigt werden, dass die Methylgruppe des DPD-Moleküls infolge einer nicht-enzymatischen Phosphat-Eliminierung gebildet wird. Nach Applikation von o-PD an reife Tomaten wurde mittels HPLC-MS/MS ebenfalls 2-Methyl-3-(1,2-dihydroxyethyl)-quinoxalin detektiert. Dieses Ergebnis impliziert ein genuines Vorkommen von DPD in Tomaten, in deren Aromaextrakten auch HMF nachgewiesen wurde. Somit ist in natürlichen Systemen ebenfalls von einer HMF-Bildung über diese Zwischenverbindung auszugehen. Anhand von HPLC-UV-MS/MS-Analysen wurde eine selektive Bildung von HDMF aus Fru-1,6-dP in Gegenwart von NADH unter milden Reaktionsbedingungen nachgewiesen. Durch Inkubation von 1-13C-Fru-1,6-dP mit [4R,S-2H2]-NADH und anschließender HRGC-MS-Analyse des gebildeten isotopen-markierten HDMF konnte gezeigt werden, dass HDMF infolge eines nicht-enzymatischen Hydrid-Transfers von NADH auf eine aus Fru-1,6-dP abgeleitete Zwischenverbindung gebildet wird. Das Hydrid-Ion wird hierbei selektiv auf C-5 oder C-6 des Kohlenhydratgrundgerüstes des Zuckerphosphates übertragen. Der Zusatz von o-PD und Fru-1,6-dP zum Z. rouxii-Nährmedium und anschließende HPLC-DAD-Analyse führte zur Detektion von drei Quinoxalinderivaten. Diese wurden anhand ihrer MS/MS-Daten und NMR-Spektren als phosphorylierte Quinoxalinderivate identifiziert, aus denen sich die Bildung von 2-Hexosulose-6-phosphat, 1-Deoxy-2,3-hexodiulose-6-phosphat und 1,4-Dideoxy-2,3-hexodiulose-6-phosphat in den Nährmedien ableiten ließ. Somit gelang erstmals der Beweis der Bildung von 1-Deoxy-2,3-hexodiulose-6-phosphat im Nährmedium, einem vielfach postulierten, aber bislang nicht nachgewiesenen Intermediat der HDMF-Bildung aus Fru-1,6-dP. Aufgrund der enantioselektiven Bildung von HDMF durch die Hefen wird daher bei der HDMF-Biosynthese durch Z. rouxii von einer Kombination aus nicht-enzymatischen Reaktionsschritten und einer durch Oxidoreduktasen der Hefezellen vermittelten Reduktion ausgegangen. / The present work represents instrumental-analytical studies on the enzymatic and chemical formation of 4-hydroxy-2,5-dimethyl-3(2H)-furanone (HDMF) and 4-hydroxy-5-methyl-3(2H)-furanone (HMF), two important flavour compounds in many fruits and processed food. The performed studies demonstrate for the first time the formation of these compounds from carbohydrate phosphates under physiological reaction conditions. Of special interest during these studies was the formation of HDMF from D-fructose-1,6-diphosphate (Fru-1,6-dP) by the yeast Zygosaccharomyces rouxii. The addition of 1-13C-D-Fru-1,6-dP and 13C6-D-glucose to the nutrient medium of Z. rouxii revealed the exclusive formation of HDMF by Z. rouxii from exogenously supplied Fru-1,6-dP. Studies dealing with the formation of HDMF by Z. rouxii under various culture conditions showed an optimal pH value of 5.1 with regard to the yield of HDMF and a maximum formation per yeast cell at 20 % sodium chloride in the nutrient medium. By means of a newly developed cKZE-method for HDMF formed by Z. rouxii an enantiomeric excess value of 27 % ee was demonstrated, implying an enantioselective biosynthesis catalysed by enzymes of the yeast. A slightly acidic pH value of the aqueous medium turned out to be essential for the detection of an enantiomeric enrichment in the HDMF molecule. This was unequivocally proved by the determination of the tautomerization velocity of the HDMF molecule by 1H-NMR spectroscopy. The formation of HMF in cell-free cytosolic protein extracts obtained from Z. rouxii incubated with Fru-1,6-dP and nicotinamide adenine dinucleotides (NAD, NADH, NADP and NADPH) was detected by means of HPLC-MS/MS analysis. HMF was formed from Fru-1,6-dP, D-fructose-6-phosphate, D-glucose-6-phosphate, 6-phosphogluconate, D-ribose-5-phosphate (Rib-5-P) and D-ribulose-1,5-diphosphate after application to cytosolic protein extracts. Specific enzyme assays revealed activity of fructose-1,6-diphosphatase, phosphohexose isomerase, glucose-6-phosphate dehydro-genase and 6-phosphogluconate dehydrogenase in the cytosolic extracts, enzymes required for the transformation of the hexose phosphates to D-ribulose-5-phosphate (Ribu-5-P). Formed Ribu-5-P is spontaneously converted to HMF (> 1 %). Incubation of ribosephosphate isomerase with Rib-5-P in presence of o-phenylenediamine (o-PD) led to the formation of 2-methyl-3-(1,2-dihydroxyethyl)-quinoxaline, which was unequivocally identified by its UV-, MS- and NMR-data. Thus, the formation of 4,5-dihydroxy-2,3-pentanedione (DPD) in the incubation mixtures could be deduced. The formation of this compound was ensured by its conversion to the respective deuterium labelled or unlabelled alditol acetate derivatives and subsequent HRGC-MS analysis. By incubation of 1-13C-Ribu-5-P as well as 5-13C-Ribu-5-P with o-PD and analysis of the respective quinoxaline derivatives by means of HPLC-MS/MS analysis we demonstrated a formation of the methyl-group in the DPD molecule in consequence of a non-enzymatic phosphate elimination. Application of o-PD to ripe tomatoes led to the detection of 2-methyl-3-(1,2-dihydroxyethyl)-quinoxaline as well, using HPLC-MS/MS analysis, implying the genuine occurrence of DPD in tomatoes. Since HMF was also detected in aroma extracts obtained from tomatoes of the same sample HMF formation in natural systems via DPD is quite possible as well. A selective chemical formation of HDMF from Fru-1,6-dP in the presence of NADH under mild reaction conditions was detected by means of HPLC-UV-MS/MS analysis. The incubation of 1-13C-Fru-1,6-dP with [4R,S-2H2]-NADH followed by HRGC-MS analysis of the formed isotopically labelled HDMF revealed, that HDMF is produced in consequence of a non-enzymatic hydride-transfer from NADH to an unknown intermediate derived from Fru-1,6-dP. The hydride-ion is selectively transferred to C-5 or C-6 of the carbohydrate skeleton of the sugar phosphate. The addition of o-PD and Fru-1,6-dP to a Z. rouxii culture medium and subsequent HPLC-DAD analysis revealed the formation of three quinoxaline derivatives. By means of their MS/MS-data and NMR-spectra these compounds were identified as phosphorylated quinoxaline derivatives derived from 2-hexosulose-6-phosphate, 1-deoxy-2,3-hexodiulose-6-phosphate and 1,4-dideoxy-2,3-hexodiulose-6-phosphate in the culture medium. Thus, for the first time the chemical formation of 1-deoxy-2,3-hexodiulose-6-phosphate in the culture medium was demonstrated, a generally expected but up to now never identified intermediate in the formation pathway of HDMF from Fru-1,6-dP. Due to the enantioselective formation of HDMF by the yeast an HDMF biosynthesis by Z. rouxii consisting of non-enzymatic reaction steps and a reduction mediated by oxidoreductases of the yeast cells was anticipated.

Die Fruchtreifung stellt einen hochkomplexen Prozess dar, der durch eine Reihe von biochemischen und physiologischen Veränderungen gekennzeichnet ist. Dies umfasst bedeutende Veränderungen von Textur, Farbe sowie die Bildung von geschmacks- und geruchsaktiven Verbindungen. Die vorliegende Arbeit präsentiert neue Erkenntnisse zur Biosynthese von 4-Hydroxy-2,5-dimethyl-3(2H)-furanon (Furaneol®, HDMF), einer Schlüssel-Aromakomponente der Erdbeere (Fragaria x ananassa). Daneben lieferten die durchgeführten Versuche den Nachweis einer Reihe enzymatischer Aktivitäten in der Erdbeerfrucht und beleuchteten deren Entwicklung im Verlauf der Erdbeer-Fruchtreifung. Zum ersten Mal wurde ein Protein aus Erdbeerfrüchten isoliert, partiell sequenziert und seine Beteiligung an der enzymatischen Bildung von HDMF während der Fruchtreifung nachgewiesen. / Fruit ripening represents a highly complex process, characterized by a series of biochemi-cal and physiological changes. This comprises significant changes in texture and colour as well as production of odor- and flavour-active compounds. The present work reveals new insight into the biosynthesis of 4-hydroxy-2,5-dimethyl-3(2H)-furanone (Furaneol®, HDMF), a key flavour compound of strawberry (Fragaria x ananassa). For the first time, a protein active in the enzymatic formation of this compound during strawberry fruit ripening was isolated from the fruit, partially sequenced and characterised.