Establishment and engineering of heterologous production platforms for cystobactamids and corramycins

Abstract

The increase in bacterial resistance against antibiotics makes the discovery and development of novel compound classes a goal of utmost importance for the human health care system. In the last decades, myxobacteria were shown to have a great potential to produce antibacterial natural products. This thesis focuses on the design, assembly and heterologous expression of modified biosynthetic gene clusters of two recently discovered myxobacterial compound classes exhibiting antimicrobial activity. The establishment of a heterologous production platform in the myxobacterial model strain Myxococcus xanthus for cystobactamids, linear peptides formed by a nonribosomal peptide synthetase (NRPS), resulted in the identification of previously unknown natural analogs. Targeted gene and NRPS domain deletions led to the production of unnatural cystobactamids and directed the production profile towards advantageous derivatives. Additionally, the obscure biosynthesis steps of the unprecedented cystobactamid linker moiety were deciphered, involving a bifunctional aminomutation amide dehydratase NRPS domain. Another heterologous production platform in M. xanthus was developed for the peptidic compound class of corramycins. The manipulation of the NRPS assembly line resulted not only in an increase of production but also directed formation of truncated analogs usable for the semi-synthesis of improved congeners.

Die Entdeckung und Entwicklung neuartiger Antibiotika ist bedingt durch steigende bakterielle Resistenzen unabdinglich für die moderne Medizin. In den letzten Jahrzehnten wurde für Myxobakterien ein großes Potenzial zur Herstellung antibakterieller Naturstoffe gezeigt. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Entwicklung, Assemblierung und heterologe Expression modifizierter biosynthetischer Gencluster zweier kürzlich entdeckter myxobakterieller Naturstoffklassen mit antibiotischer Wirkung. Die Etablierung einer heterologen Produktionsplattform im myxobakteriellen Modellstamm Myxococcus xanthus für Cystobactamide, lineare Peptide, die von einer nichtribosomalen Peptidsynthetase (NRPS) gebildet werden, führte zur Identifizierung bisher unbekannter natürlicher Analoga. Gezielte Deletionen von Genen und einer NRPS-Domäne führten zur Produktion unnatürlicher Cystobactamide und lenkten das Produktionsprofil hin zu wertvollen Derivaten. Zudem konnten zuvor unerklärte Biosyntheseschritte entschlüsselt werden, die die Produktion der völlig neuartigen Cystobactamid-Linkereinheit unter Beteiligung einer bifunktionalen Aminomutase- und Amid-Dehydratase NRPS-Domäne erklären. Eine weitere heterologe Produktionsplattform in M. xanthus wurde für die peptidische Stoffklasse der Corramycine entwickelt. Die Manipulation der NRPS-Maschinerie führte neben der Produktionssteigerung zur Herstellung von verkürzten Corramycinen, die zur Semisynthese verbesserter Analoga verwendet werden können.