Natural product biosynthesis in myxobacteria : studies on enzymatic versatility and secondary metabolite diversity

Abstract

In this work, the biosynthesis of secondary metabolites in myxobacteria was investigated, with particular focus on the functional and biochemical characterization of enzymes furnishing biosynthetic pathways with unusual building blocks. A novel member of the tyrosine aminomutase (TAM) enzyme family, CmdF, was shown to supply (R)-beta-tyrosine for incorporation into the chondramides by Chondromyces crocatus. Site-directed mutagenesis demonstrated the feasibility of modulating the stereoselectivity exhibited by CmdF through genetic engineering. The cloning and characterization of additional TAMs revealed a high degree of evolutionary diversification within the emerging TAM enzyme family. Furthermore, the structural elucidation and biosynthesis of newly discovered metabolites from Stigmatella aurantiaca, the imidacins, is reported. These compounds consist of a fatty-acid like scaffold, but additionally feature an unique imidazole acryl moiety and a rare cyclopropane ring. Imidacin formation depends on the supply of an unprecedented urocanic acid precursor by a histidine ammonia lyase (HAL), revealing for the first time the involvement of HAL in bacterial secondary metabolism. In addition, a metabolomics-based approach for the mining of myxobacterial metabolite profiles was devised. High-resolution mass spectrometry, combined with statistical interpretation by principal component analysis (PCA), was employed to highlight compounds which constitute significant differences in a set of highly complex samples. This technique uncovered a strikingly high level of intraspecific diversity in the secondary metabolome of Myxococcus xanthus.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Biosynthese von myxobakteriellen Naturstoffen, mit Schwerpunkt auf der funktionellen und biochemischen Charakterisierung von Enzymen, die ungewöhnliche Vorläufer für biosynthetische Stoffwechselwege zur Verfügung stellen. Es konnte gezeigt werden, dass (R)-beta-Tyrosin — ein Bestandteil der Chondramide aus Chondromyces crocatus — durch die neuartige Tyrosin-Aminomutase (TAM) CmdF gebildet wird. Mittels gezielter Mutagenese wurden Möglichkeiten zur Beeinflussung der Stereoselektivität von CmdF aufgezeigt. Die Klonierung und Characterisierung weiterer TAM Enzyme offenbarte einen hohen Grad an evolutionärer Diversifizierung innerhalb der erweiterten TAM Familie. Außerdem wird die Strukturaufklärung und die Biosynthese neu entdeckter Metabolite aus Stigmatella aurantiaca beschrieben, welche Imidacine genannt wurden. Diese Verbindungen besitzen eine fettsäureartige Grundstruktur, zeichnen sich jedoch zusätzlich durch eine äußerst seltene Imidazolacrylgruppe und einen Cyclopropanring aus. Die Biosynthese der Imidacine ist abhängig von der Bereitstellung einer Urocansäure-Startereinheit durch eine Histidin-Ammoniumlyase (HAL), und stellt damit das bisher einzige Beispiel für die Beteiligung von HALs am bakteriellen Sekundärstoffwechsel dar. Es wurde darüber hinaus ein "Metabolomics"-basierter Ansatz zur vertieften Analyse der Sekundärmetabolitenprofile von Myxobakterien entwickelt. Hochauflösende massenpektrometrische Messungen wurden mit einem statistischen Auswertungsverfahren (PCA, "Principal Component Analysis") kombiniert, um solche Substanzen zu identifizieren, die signifikante Unterschiede innerhalb einer Probenserie mit hoher Komplexität darstellen. Die Anwendung dieser Methode enthüllte die erstaunlich hohe Diversität des sekundären Metaboloms der Spezies Myxococcus xanthus.