Isolation and identification of natural products and biosynthetic pathways from Photorhabdus and Xenorhabdus

Abstract

The entomopathogenic bacteria of the genera Photorhabdus and Xenorhabdus display perfect model organisms to gain insights into the sophisticated interplay between symbiosis and pathogenicity. Moreover, numerous publications in the last years have demonstrated that these bacteria represent a rich source of secondary metabolites, which is exemplified in this work with the description of the novel xenofuranone compounds. The recently available genome sequence of Photorhabdus luminescens TT01 pointed out that many biosynthetic gene clusters remain silent as the corresponding product cannot be detected. The heterologous expression of a nonribosomal peptide synthetase, which resulted in the successful production of indigoidine, depicts one way to gain access on these cryptic gene clusters. In addition the genome sequence also enabled the identification of biosynthesis genes of the already known compound families of stilbenes and anthraquinones. Thereby a type II polyketide synthase cluster was identified, which is responsible for anthraquinone biosynthesis, representing only the second known type II PKS derived compound from a Gram-negative bacterium. Furthermore the identification of genes involved in stilbene biosynthesis led to the discovery of a unique and novel pathway, strongly differing from plant derived stilbenes.

Entomopathogene Bakterien der Gattungen Photorhabdus und Xenorhabdus eignen sich hervorragend als Modelorganismen um Einblicke in das komplizierte Wechselspiel zwischen Symbiose und Pathogenität zu erhalten. Darüber hinaus haben zahlreiche Publikationen der letzten Jahre gezeigt, dass diese Bakterien eine reiche Quelle an Sekundärstoffen darstellen. In der vorliegenden Arbeit wird dies anhand der neu beschriebenen Xenofuranone verdeutlicht. Die veröffentlichte Genomsequenz von Photorhabdus luminescens TT01 offenbarte, dass die meisten Biosynthese Gencluster "verwaist" sind, das heißt es ließ sich bisher kein dazugehöriges Produkt detektieren. Die erfolgreiche heterologe Expression einer nichtribosomalen Peptidsynthetase und der damit verbundenen Produktion von Indigoidin, zeigte eine Möglichkeit auf um Zugang zu solchen "verwaisten" Genclustern zu erhalten. Des Weiteren erlaubte die Genomsequenz nach Biosynthesegenen zu suchen, deren Produkte wie zum Beispiel die Stilbene oder die Anthrachinone bereits bekannt waren. Auf diese Weise konnte ein Typ II Polyketidsynthasecluster der für die Biosynthese der Anthrachinone verantwortlich ist identifiziert werden. Die Anthrachinone sind damit erst das zweite bekannte Beispiel eines Typ II PKS erzeugten Produktes aus einem Gram-negativen Bakterium. Zusätzlich gelang es die Gene, die an der Stilbenbiosynthese beteiligt sind zu identifizieren und damit einen neuen und einzigartigen Stoffwechselweg, welcher stark abweichend zur pflanzlichen Biosynthese funktioniert zu beschreiben.