Pathways to products: exploring the biosynthetic depth of Myxococcus xanthus by comprehensive secondary metabolite profiling

Abstract

Microbial secondary metabolites are a rich source of bioactive compounds which act on novel therapeutic targets. The availability of whole genome sequences revealed that, thus far, the expanse of the secondary metabolite biosynthetic potential of bacteria has been grossly underestimated. In this work, the biosynthetic potential of the myxobacterial species Myxococcus xanthus was investigated. Examination of the M. xanthus DK1622 genome revealed 18 biosynthetic gene clusters, only 5 of which have been previously assigned to compound classes. In the present work the application of a comprehensive secondary metabolite profiling approach in combination with molecular biological methods facilitated the association of 3 novel M. xanthus DK1622 compounds to their corresponding biosynthetic pathways. Complete structure elucidation was carried out for one selected candidate and revealed an unusual peptide, named myxoprincomide-c506. A biosynthetic model for myxoprincomide was proposed based on the giant multidomain NRPS/PKS enzyme Mxp from M. xanthus DK1622. Further investigations established myxoprincomide-c506 as the founding member of an amazingly diverse metabolite family, and 15 additional myxoprincomide variants were identified. Their formation comprises both rare biosynthetic building blocks and intriguing deviations from textbook biosynthetic logic. Furthermore, retrobiosynthetic analysis and genome mining of the M. xanthus DK897 genome led to the first identification of an althiomycin biosynthetic pathway encoded by the alm gene cluster. Following confirmation by targeted gene inactivation coupled to metabolite profiling of the mutants, a biosynthetic model for althiomycin assembly by a hybrid NRPS/PKS system was proposed.

Sekundärmetabolite mikrobiellen Ursprungs sind eine ergiebige Quelle bioaktiver Verbindungen, die neuartige therapeutische Angriffspunkte enthüllen. Die Verfügbarkeit kompletter Genomsequenzen hat offenbart, dass das Potential von Bakterien zur Biosynthese von Sekundärmetaboliten bis dato bei weitem unterschätzt worden ist. In dieser Arbeit ist das biosynthetische Potential der myxobakteriellen Gattung Myxococcus xanthus eingehend untersucht worden. Die Auswertung des Genoms von M. xanthus DK1622 lässt 18 Biosynthesegencluster erkennen, aber nur fünf dieser Gencluster konnten bisher Verbindungsklassen zugeordnet werden. Die Anwendung eines umfassenden Ansatzes zur Analyse von Sekundärstoffprofilen in Kombination mit molekularbiologischen Methoden, ermöglichte in dieser Arbeit die Zuordnung von drei neuen Verbindungen von M. xanthus DK1622 zu den entsprechenden Biosynthesewegen. Die Verbindung Myxoprincomid-c506 wurde für eine komplette Strukturaufklärung ausgewählt und wird hier als neuartiges Peptid mit mehreren seltenen Strukturmotiven beschrieben. Ein Modell der Myxoprincomid-Biosynthese in M. xanthus DK1622 wurde basierend auf dem 1.6 MDa großen NRPS/PKS Multidomänenenzym Mxp aufgestellt. Es konnten außerdem 15 weitere Myxoprincomid-Derivate identifiziert werden. Die außergewöhnliche strukturelle Diversität dieser neuen Substanzfamilie beruht dabei auf seltenen Biosynthese-Bausteine und ungewöhnlichen Biosyntheseschritten. Außerdem führten retrobiosynthetische Überlegungen und die Analyse des Genoms von M. xanthus DK897 zur Identifizierung des Althiomycin Biosyntheseweges, der vom alm Gencluster kodiert wird. Nach gezielter Inaktivierung des Genclusters und Analyse der Mutanten bezüglich ihrer Althiomycinproduktion, konnte ein Modell für die NRPS/PKS-basierte Biosynthese von Althiomycin aufgestellt werden.