Synthetic biotechnology to engineer myxopyronin production

Abstract

Myxobacteria produce a broad range of anti-infectives that contain novel scaffolds and exhibit promising bioactivities. These features make myxobacterial secondary metabolites an interesting target for scientific research and clinical application. The present thesis deals with myxopyronins from Myxococcus fulvus Mx f50 which target a novel binding site at the bacterial RNA polymerase “switch region”. Due to their insufficient physicochemical and pharmacokinetic properties for direct clinical drug usage, this work aims to exploit and optimize this compound family through biotechnological approaches. Genetic tools for the myxopyronin producer were established to facilitate the identification and elucidation of the myxopyronin biosynthetic gene cluster through directed mutagenesis. Detailed biochemical and structural characterization of the key enzyme responsible for alpha-pyrone ring formation provided valuable insights into the reaction mechanism and structural requirements of modified polyketide chain substrates. Furthermore, mutasynthesis approaches at different stages of the biosynthesis allowed the generation of novel myxopyronin analogues. In order to improve productivity, a heterologous expression system for myxopyronin production was achieved in Myxococcus xanthus DK1622 at promising yields. The obtained results provide various platforms for further pathway engineering to generate myxopyronin analogues with improved pharmaceutical properties.

Myxobakterien produzieren ein breites Spektrum an Anti-Infektiva mit neuen Grundgerüsten und vielversprechenden Bioaktivitäten. Diese Eigenschaften machen myxobakterielle Sekundärmetabolite zu interessanten Zielstrukturen für die Forschung und klinische Anwendungen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Myxopyroninen aus Myxococcus fulvus Mx f50, die an eine neue Stelle, die „switch region“, der RNA-Polymerase binden. Da ihre physikochemischen und pharmakokinetischen Eigenschaften keine direkte klinische Anwendung erlauben, zielt diese Arbeit darauf ab, über biotechnologische Ansätze die Naturstoff-Familie zu optimieren und weiter auszunutzen. Es wurden genetische Verfahren für den Myxopyronin-Produzenten etabliert, um den Myxopyronin-Biosynthesegencluster mittels gerichteter Mutagenese zu identifizieren und charakterisieren. Detaillierte Studien zur Biochemie und Struktur des an der alpha-Pyronring-Biosynthese beteiligten Schlüsselenzyms lieferten wertvolle Einblicke in den Reaktionsmechanismus und die Strukturanforderungen modifizierter Polyketidketten-Substrate. Zudem gelang es über Mutasynthese-Experimente auf verschiedenen Stadien der Biosynthese neue Myxopyronin-Analoga zu generieren. Zur Produktionsverbesserung wurde ein heterologes Expressionssystem in Myxococcus xanthus DK1622 mit vielversprechenden Ausbeuten etabliert. Die erzielten Ergebnisse bieten verschiedene Plattformen zur Manipulation der Biosynthese, um Myxopyronin-Analoga mit verbesserten pharmazeutischen Eigenschaften herzustellen.