Synthetic biotechnology to study and engineer natural product biosynthesis in actinomycetes

Abstract

Bacterial natural products like from the well-studied actinomycetes display diverse structural features and interesting bioactivities making these secondary metabolites attractive targets for scientific research and clinical application. The present thesis deals with the identification, elucidation and engineering of biosynthetic pathways of the natural products cinnabaramides from Streptomyces sp. JS360 and bottromycins from Streptomyces sp. BC16019. Synthetic biotechnology tools were employed to improve production yields and to produce novel derivatives via biosynthetic engineering. Precursor-directed biosynthesis and mutasynthesis approaches allowed the generation of novel cinnabaramide derivatives exhibiting intriguing bioactivities. For bottromycins, a heterologous production platform was established, optimized for higher production yields and novel analogues were identified after rational pathway modification. Moreover, detailed biochemical and structural characterization of a key enzyme involved in the formation of an unusual polyketide extender unit during cinnabaramide biosynthesis was performed. By active site mutations it was possible to change the substrate specificity of the enzyme, which generates dicarboxylic acids by reductive carboxylation of enolate derivatives. The obtained results provided deeper insights into the biochemistry of this enzyme family and set the stage for generation of deliberately altered polyketides with improved pharmaceutical properties.

Bakterielle Naturstoffe wie von den gut studierten Aktinomyceten weisen eine hohe strukturelle Diversität und interessante Bioaktivitäten auf und stellen daher attraktive Zielstrukturen für Forschung und klinische Anwendung dar. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Identifizierung, Aufklärung und Manipulation der Biosynthesewege zu Cinnabaramiden aus Streptomyces sp. JS360 und Bottromycinen aus Streptomyces sp. BC16019. Über Synthetische Biotechnologie wurde die Produktion verbessert und neue Derivate dieser Naturstoffe erzeugt. Mittels Vorläufer-dirigierter Biosynthese und Mutasynthese wurden neue Cinnabaramid-Derivate mit interessanten Bioaktivitäten hergestellt. Für die Bottromycine wurde eine heterologe Produktionsplattform etabliert, die Produktionsausbeuten optimiert und nach rationaler Modifikation des Biosyntheseweges neue Bottromycin-Analoga identifiziert. Zudem wurde ein Enzym, welches entscheidend an der Bildung einer ungewöhnlichen Polyketid-Verlängerungseinheit für die Cinnabaramid-Biosynthese beteiligt ist, detailliert biochemisch und strukturell charakterisiert. Über Mutationen in der Bindetasche gelang es, die Substratspezifität des Enzyms zu verändern, welches ausgehend von Enolat-Derivaten über reduktive Carboxylierung Dicarbonsäuren generiert. Die erhaltenen Resultate lieferten tiefere Einblicke in die Biochemie dieser Enzymfamilie und stellen eine Grundlage zur Erzeugung veränderter Polyketide mit verbesserten pharmazeutischen Eigenschaften dar.