Exploitation and engineering of lipopeptide biosynthesis in myxobacteria

Abstract

To gain a deep understanding of the lipopeptide biosynthesis in myxobacteria, a comprehensive screening of myxobacterial genomes was initially carried out in the course of this thesis leading to the identification and characterization of novel lipopeptide biosynthetic pathways. By following this strategy, four yet unknown lipopeptide cores were predicted and further structurally characterized to ultimately prove the predicted structures. On the basis of detailed sequence analyses of the underlying biosynthetic pathways, the structural differences of the lipopeptide cores could be rationalized on a genetic basis. These studies also contributed to the elucidation of the genetic mechanisms, by which the different biosynthetic pathways have evolved. Furthermore, the identified lipopeptide biosynthetic pathways were used as model systems to establish synthetic expression platforms. In the course of this thesis, a versatile assembly strategy for the construction of artificial lipopeptide gene clusters was developed, which allowed the generation and heterologous expression of unnatural lipopeptide biosynthetic pathways based on an established gene library via combinatorial biosynthesis. These studies led to the production of five novel lipopeptide scaffolds and impressively demonstrate the huge potential of synthetic biology techniques compared to classical approaches. Moreover, the described strategy allows the rapid modification of the artificial biosynthetic pathways.

Furthermore, the identified lipopeptide biosynthetic pathways were used as model systems to establish synthetic expression platforms. In the course of this thesis, a versatile assembly strategy for the construction of artificial lipopeptide gene clusters was developed, which allowed the generation and heterologous expression of unnatural lipopeptide biosynthetic pathways based on an established gene library via combinatorial biosynthesis. These studies led to the production of five novel lipopeptide scaffolds and impressively demonstrate the huge potential of synthetic biology techniques compared to classical approaches. Moreover, the described strategy allows the rapid modification of the artificial biosynthetic pathways.

Um ein breites Verständnis der Lipopeptid-Biosynthese in Myxobakterien zu erhalten, wurden im Rahmen dieser Arbeit neue Lipopeptid-Biosynthesewege unter Einsatz eines umfangreichen Screenings myxobakterieller Genome identifiziert und charakterisiert. Auf diesem Weg konnten vier bisher unbekannte Lipopeptid-Gerüste vorhergesagt und im weiteren Verlauf durch Strukturaufklärung bestätigt werden. Daneben konnten anhand detaillierter Sequenzanalysen der beteiligten Biosynthesewege die strukturellen Unterschiede der Lipopeptid-Gerüste auf genetischer Ebene erklärt werden. Diese Untersuchungen haben ebenfalls zur Aufklärung der genetischen Mechanismen beigetragen, welche zur Evolution dieser Biosynthesewege geführt haben. Darüber hinaus wurden die identifizierten Lipopeptid-Biosynthesewege als Modellsysteme zur Etablierung synthetischer Expressionsplattformen herangezogen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte eine flexible Assemblierungsstrategie zur Konstruktion artifizieller Lipopeptid-Gencluster entwickelt und eine Genbibliothek generiert werden, auf deren Basis nicht natürliche Lipopeptid-Biosynthesewege mittels kombinatorischer Biosynthese erzeugt und heterolog exprimiert werden konnten. Diese Studien führten zur Produktion von fünf neuartigen Lipopeptid-Gerüsten und demonstrieren eindrucksvoll die Vorteile synthetisch-biologischer Methoden gegenüber klassischen Ansätzen. Die beschriebene Strategie erlaubt darüber hinaus die schnelle Modifikation der artifiziellen Biosynthesewege.