Sinteza longamida B i analoga ramnolipida i njihova fizičko-hemijska i biološka karakterizacija

Abstract

Ramnolipidi su ekološki prihvatljivi biosurfaktanti koje proizvodi bakterija Pseudomonas aeruginosa. Zbog interesantnog biološkog profila i odličnih fizičko-hemijskih svojstava nalaze primenu u biotehnologiji, bioremedijaciji i medicini. Njihova šira i ekonomski prihvatljivija primena je međutim značajno otežana činjenicom da se teško mogu dobiti u većim količinama i u čistoj formi. Kao posledica toga istraživanja u smeru strukturnih modifikacija i sinteze analoga ramnolipida nisu još uvek zaživela, samim tim, fizičko-hemijska i biološka svojstva srodnih molekula nisu još uvek dovoljno istražena. Imajuči u vidu neekonomičnost sinteze ramnolipida cilj ovog istraživanja bio je pronaći sintetski pristupačne molekule koji bi imali isti ili bolji biološki ili fizičko-hemijski profil od samih prirodnih ramnolipida. Korišćenjem (R)-3-hidroksikiseline kao osnovnog strukturnog fragmenta sintetisani su šećerni, heterociklični i peptidni analozi ramnolipida i ispitivane njihove fizičko-hemijske i antimikrobne osobine. Zamenom ramnoze drugim šećerima smanjuje se cena proizvodnje ovih molekula dok se istovremeno očuvava površinska aktivnost i biorazgradivost. Zamenom ramnoze peptidima dobijajena je serija jedinjenja sa anti-adhezivnim dejstvom na Candida albicans (BFIC50 = 4,5 μg/mL). Najaktivniji derivati su konjugati leucina i 3-hidroksikiselina koje sadrže benzil estar. SAR studijom je pokazano da je optimalan broj aminokiselina u bočnom nizu 1-2, kao i da se anti-biofilm aktivnost povećava sa produženjem alifatičnog niza 3-hidroksikiselina. Ova jedinjenja inhibiraju formiranje biofilma sprečavanjem adhezije C. albicans na abiotsku i biološku površinu.Pored ramnolipida, i mali molekuli koji pripadaju bromopirolskim alkaloidima takođe ispoljavaju antimikrobna i anti-biofilm svojstva. Longamid B je jedan od naistraživanijih molekula ove grupe. Poznata je njegova antimikrobna aktivnost na bakterijske sojeve Bacillus subtilis i Staphylococcus aureus. Iz tog razloga predstavlja atraktivan target za totalnu sintezu i šire proučavanje hemijskog prostora definisanog njegovom strukturom. Pretpostavljeno je da se osnovni skelet bromopirolskih alkaloida, može dobiti intramolekulskom nukleofilnom adicijom na alene. Ispitivanjem ciklizacionih reakcija aminoalena u prisustvu serije metalnih soli došlo se do optimalnih uslova koji su podrazumevali korišćenje stehiometrijske količine AgNO3. Zahvaljujući hiralnom ciklizacionom prekursoru reakcija ciklizacije se odvijala stereoselektivno. Razvijena metodologija iskorišćena je u sintezi longamida B i stilizina D.U cilju diverzifikacije strukture bromopirolskih alkaloida ispitivane su reakcije i karboaminacije aminoalena katalizovane paladijumom. Ova strategija omogućila je sintezu α-supstituisanih derivata longamida.

Rhamnolipids are environmentally friendly biosurfactants produced mostly by strains of Pseudomonas aeruginosa. Due to their interesting biological profile and excellent physico-chemical properties, they find application in biotechnology, bioremediation and medicine. The inefficient large scale production, however, still hinders their wider application. Consequently, the research on structural modifications and the synthesis of rhamnolipid analogues is still in the early stages and the physico-chemical and biological properties of related molecules are not yet fully explored. Thus this research aimed to find synthetically accessible molecules which would mimic or enhance the properties of the parent molecule. Using (R)-hydroxy acids as a core building block, the sugar, heterocyclic and peptide analogues of rhamnolipids were synthesised and their physico-chemical and antimicrobial properties evaluated. Replacing rhamnose with other sugars allows for a reduction in production cost whilst preserving the surface active properties and biodegradability of the parent molecules. The replacement of rhamnose with peptides produced a series of molecules with anti-adhesion effect on Candida albicans (BFIC50 = 4,5 μg/mL). The most potent derivatives were conjugates of leucine and benzyl esters of 3-hydroxyacids. The SAR study showed that the optimal number of amino acids in the sidechain was one or two, furthermore, the elongation of the aliphatic chain also improved the anti-biofilm properties of the peptide derivatives. The compounds were found to exert anti-biofilm properties through inhibition of C. albicans adhesion to abiotic and biotic surfaces.Apart from rhamnolipids, small molecules, members of bromopyrrole alkaloid family, also exert antimicrobial and anti-biofilm properties. Longamid B is one of the most studied molecules of this group. Its antimicrobial activity against Bacillus subtilis and Staphylococcus aureus is well known. Therefore it represents an attractive target for total synthesis and the exploration of chemical space around the molecule. Our envisaged strategy was based on the hypothesis that the core structure of bromopyrrole alkaloids could be accessed via intramolecular nucleophilic addition to allene moiety. The investigation of cyclization reactions of aminoallenes in the presence of a series of metal salts uncovered a stoichiometric amount of AgNO3 as the best option for the reaction. The chiral precursor allowed a stereoselective cyclization process. The developed methodology was successfully applied in the synthesis of longamide B and stylisine D.With the aim of diversificating the structure of bromopyrrole alkaloids the carboamination reactions of aminoallenes catalyzed by palladium were also explored. This strategy allowed the synthesis of α-substituted derivatives of longamide B.