Establishing and engineering heterologous production systems for argyrin and α-pyrone antibiotics

Abstract

Myxobacterial natural products have proven to be a valuable source of antibacterial and anticancer compounds in the last decades. This thesis covers the biosynthesis elucidation, heterologous production as well as structure and yield optimization of two potent myxobacterial compounds. The work on coralloypronin resulted in the design of an efficient heterologous production platform in the myxobacterial model organism Myxococcus xanthus. Research on the established heterologous producer led to identification of specific biochemical processes and resulted in isolation and structure elucidation of two novel coralloypronin derivatives. Furthermore, gene deletion experiments led to discovery of hypothetical self-resistance mechanism, which seems to be conserved in most myxobacterial RNA polymerase (RNAP) inhibitor biosynthetic gene clusters (BGC). The BGC of argyrin, a cyclic octapeptide produced by nonribosomal peptide synthetase (NRPS), was identified in Cystobacter sp. SBCb004. The heterologous expression of synthetic argyrin BGC was achieved in M. xanthus, which, after medium optimization, led to a significant yield improvement over the wild type producer. The production of argyrin could be even further improved by utilization of different promoter systems with a specifically optimized leader sequence. Furthermore, precursor directed biosynthesis was applied to produce a library of novel argyrin derivatives.

Myxobakerielle Naturstoffe haben sich in den letzten Jahrzehnten als wertvolle Ressource für Wirkstoffe gegen Bakterien und Krebs bewährt. Diese Dissertation umfasst die Biosyntheseaufklärung, die heterologe Produktion sowie Struktur und Ausbeuteoptimierung zweier wirksamer myxobakterieller Verbindungen. Die Arbeit über Corallopyronin führte zum Design einer effizienten myxobakteriellen Produktionsplattform im myxobakteriellen Modellorganismus Myxococcus xanthus. Die Erforschung dieses etablierten heterologen Produzenten führte zur Identifizierung spezifischer biochemischer Prozesse, die in der Isolation und Strukturaufklärung zweier neuer Corallopyroninderivate resultierte. Zusätzliche Gendeletionsexperimente führten zur Entdeckung eines hypothetischen Selbstresistenzmechanismus, der in myxobakteriellen RNA Polymerase (RNAP) Inhibitor Biosynthese-Genclustern (BGC) konserviert zu sein scheint. Das BGC des zyklischen Oktapeptids Argyrin wurde in einem Nichtribosomalen Peptid Synthetase (NRPS) Gencluster in Cystobacter sp. SBCb004 entdeckt. Die heterologe Expression eines synthetischen Argyrin BGC in M. xanthus führte nach Medienoptimierung zu einer signifikanten Steigerung der Ausbeute im Vergleich zum Wildtyp. Zusätzliche Steigerungen der Argyrinproduktion wurden durch Integration verschiedener Promotoren mit einer optimierten Leader Sequenz erreicht. Zudem konnte durch die Fütterung spezieller Vorläufermoleküle eine Bibliothek neuer Argyrinderivate produziert werden.