Genome mining in myxobacteria and actinobacteria : studies of natural products and their biosynthetic pathways

Abstract

Bacterial resistance to antibiotics drives the need for incessant research efforts to discover substitutes for ineffective antibiotics. Soil-dwelling Myxobacteria and Actinobacteria provide many biologically active natural products that can be developed into new treatment options. In postgenomic era, the natural product discovery is often based on the genome mining approach combined with genetic engineering used also in this work. This thesis presents two novel natural products, myxopentacin and myxoglucamide, produced by Cystobacterineae sp. MCy9003, a representative of a novel myxobacterial genus. The nonribosomal peptide myxopentacin features rare cispentacin and pseudoarginine moieties, incorporated by a unique assembly mechanism. The glycolipopeptide myxoglucamide contains an unusual vinyl moiety and its biosynthesis involves multiple biochemical transfomations. In addition, this thesis describes the identification of the biosynthetic gene cluster in Streptomyces hagronensis, responsible for the production of the known antibiotic globomycin, a signal peptidase II inhibitor. Furthermore, the genome of the antibiotic fidaxomicin producer Actinoplanes deccanensis was genetically engineered to acquire desired shunt products for further semi-synthesis. Finally, the biosynthetic pathway of the atypical tetracycline chelocardin, regarding cyclization and C6- methylation, was characterized via gene knockout and site-directed mutagenesis in Amycolatopsis sulphurea.

Aufgrund der zunehmenden Resistenz von Bakterien gegen die bekannten Antibiotika, besteht ein ständiger Bedarf an neuen Wirkstoffen. Im Boden lebende Mikroorganismen wie Myxobakterien und Actinobakterien produzieren viele biologisch aktive Naturstoffe, die zu neuen Behandlungsoptionen entwickelt werden können. Um dieser Problematik entgegen zuwirken, wurde in dieser Arbeit der "genome-mining" Ansatz in Kombination mit gentechnischer Manipulationen von Cystobacterineae sp. MCy9003, einem Vertreter einer neuartigen myxobakteriellen Gattung, verwendet. Das nichtribosomale Peptid Myxopentacin mit den seltenen Cispentacin- und Pseudoarginin-Einheiten, weist einen einzigartigen Assemblierungsmechanismus auf. Das Lipoglykopeptide Myxoglucamid enthält eine ungewöhnliche Vinyleinheit und die Biosynthese umfasst viele biochemische Prozesse. . Zusätzlich wurde in dieser Arbeit der Biosyntheseweg des bekannten Antibiotikums Globomycin, ein Signalpeptidase II-Inhibitor, nach Identifizierung des entsprechenden Biosynthesegenclusters in Streptomyces hagronensis analysiert. Darüber hinaus wurde das Genom des Fidaxomicin-Produzenten Actinoplanes deccanensis gentechnisch verändert, um spezielle Shunt-Produkte für weitere semisynthetische Studien zu erhalten. Des weiteren wurde der Biosyntheseweg des atypischen Tetracyclin Antibiotikums Chelocardin hinsichtlich Zyklisierung und C6-Methylierung in Amycolatopsis sulphurea charakterisiert.