The engineering of heterologous host for natural products overproduction

Abstract

Streptomyces are a prolific source of diverse bioactive natural products. However, most of the corresponding biosynthetic gene clusters are expressed poorly under laboratory conditions. Therefore, the optimized host strains for heterologous expression of biosynthetic gene clusters and the production of natural products in sufficient yields are in great need. The first part of this thesis is dedicated to the optimization of the S. albus host strain to increase the natural product production titers through ribosomal engineering. For the first time, we showed that ribosomal engineering has a significant impact on the whole transcriptome of the cell, what, in turn, has a strong effect on the expression level of indigenous and heterologously expressed biosynthetic gene clusters. The second part is dedicated to RiPPs natural products derivatization in Streptomyces hosts via two approaches: the stop-codon suppression and rational codon randomization. By using the first approach, we succeed in incorporating unnatural amino acids into a potent lantibiotic cinnamycin and have obtained five new derivatives. The platform for rational codon randomization was developed, enabling the fast and efficient derivatization of an anticancer RiPP thioholgamide A. These two approaches proved to be efficient for the RiPPs derivatization and might find its application in bio-orthogonal chemistry, target fishing, and improvement of the pharmacokinetics of the RiPP lead compounds.

Streptomyceten sind eine ergiebige Quelle diverser, bioaktiver Naturstoffe. Jedoch werden die meisten dazugehörigen biosynthetischen Gencluster nur geringfügig unter Laborbedingungen exprimiert. Daher sind optimierte Wirtstämme für die heterologe Expression von Genclustern und Produktion der Naturstoffe in ausreichender Menge von großem Bedarf. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung des Wirtstammes S. albus, um die Produktion mittels Veränderungen auf ribosomaler Ebene zu erhöhen. Zum ersten Mal zeigen wir, dass Veränderungen dieser Art einen signifikanten Einfluss auf das gesamte Transkriptom der Zelle haben, was wiederum einen starken Effekt auf das Expressionslevel von eigenen und heterolog exprimierten Clustern ausübt. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Derivatisierung von RiPP-Naturstoffen in Streptomyceten über zwei Ansätze: Stopp-Codon-Unterdrückung und rationale Codon- Randomisierung. Unter Nutzung des ersten Ansatzes konnten wir erfolgreich unnatürliche Aminosäuren in das wirksame Lantibiotikum Cinnamycin einbauen und erhielten fünf neue Derivate. Die rationale Codon-Randomisierung wurde entwickelt und ermöglicht die schnelle und effiziente Derivatisierung des antikanzerogenen RiPP Naturstoffes Thioholgamid A. Beide Ansätze sind effiziente Methoden zur Derivatisierung von RiPP-Naturstoffen und könnten Anwendung in der bio-orthogonalen Chemie, „target fishing“ und bei der Verbesserung der Pharmakokinetik der RiPP-Leitstrukturen finden.