Structural biology and in vitro biosynthetic studies of Bottromycin and Crocagin - opportunities for exploration and optimization of natural products

Abstract

Ribosomal synthetisierte und post-translational modifizierte Peptide (RiPPs) sind eine relativ neue Klasse der Naturstoffe, welche für den Menschen interessante biologische Aktivitäten aufweisen. Dadurch stellen sie potentiell spannende Alternativen für die Behandlung der größten Gesundheitsrisiken im Zeitalter der modernen Medizin dar. Obwohl einige dieser interessanten Wirkstoffkandidaten bereits vor mehr als 50 Jahren entdeckt wurden, wurde ihr Potential für die klinische Anwendung oftmals nicht erforscht. Da die Biosynthese der RiPPs komplexe enzymatische Modifikationen des ribosomal produzierten Vorläuferpeptids beinhaltet, ist eine totalsynthetische Herstellung dieser Verbindungen häufig kompliziert und kostspielig. Diese Modifikationen werden im Fall der RiPPs von Enzymen katalysiert, für welche sich die codierenden Gene innerhalb des für Naturstoffe üblichen Genclusters befinden. Im Laufe dieser Arbeit wurden in vitro Studien zur Biosynthese zweier interessanter Naturstoffe durchgeführt. Die Charakterisierung der einzelnen Biosyntheseschritte trägt elementar zur Erweiterung des Wissens über die noch zum Großteil wenig verstandene Biosynthese innerhalb des Spektrums der RiPPs bei. Weiterhin stellt sie den ersten Schritt zu einer möglichen enzymatischen Syntheseroute dieser chemisch komplexen Naturstoffe dar, welche eine Derivatisierung beziehungsweise semi-synthetische Herstellung dieser potentiellen Wirkstoffkandidaten deutlich erleichtern würde.

Ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides (RiPPs) are a relatively new class of natural products, which can exhibit interesting biological activities. As such, they could represent exciting alternatives for treatment of some of the biggest health concerns of modern medicine, which are multidrug-resistant pathogens and cancer. Even though some of these interesting drug candidates were discovered more than 50 years ago, their clinical potential has often not been explored. RiPPs biosynthesis involves the heavy enzymatic modification of the ribosomally produced precursor peptide. The total synthesis of these compounds is frequently as complex as it is expensive. These modifications are usually catalyzed by enzymes for which the corresponding genes are encoded together with the precursor peptide within the biosynthetic gene cluster of the natural product. During the course of this work, the biosynthetic pathways of two interesting RiPP natural products have been investigated using an in vitro approach. The full characterization of the enzyme-substrate relationship of the biosynthetic steps broadens our knowledge of the still poorly understood general properties of RiPPs biosynthesis. Furthermore, this work represents the first step towards a possible enzymatically-driven synthesis of these natural products, which in turn allows for facilitated derivatization as well as a semisynthetic route for these potential clinical drug candidates.