Heterologous Production of Natural Products: From Compound Discovery to Metabolic Engineering of the Host Strain

Abstract

Naturstoffe aus Aktinobakterien sind eine wichtige Quelle für die Entwicklung neuer Medikamente. Der Fokus dieser Arbeit lag daher einerseits auf der Entdeckung neuer Naturstoffe und andererseits auf der Weiterentwicklung bereits bekannter, aber noch ungenutzter Naturstoffe. Durch die Auswahl und Expression biosynthetischer Genclustern aus dem Stamm Saccharothrix espanaensis im optimierten Wirt Streptomyces lividans wurden zwei neue Polyketid-Naturstoffe, pentangumycin und SEK90, entdeckt. Beide Stoffe wurden erfolgreich isoliert, deren Strukturen und Biosynthesewege wurden aufgeklärt und deren biologische Aktivität bestimmt. Ein großer Mehrwert der heterologen Expression als universellen Ansatz für die Entdeckung neuer Naturstoffe auch aus nicht-Streptomyces Aktinobacterien konnte hiermit aufgezeigt werden. Die Polyketid Naturstoffgruppe der Pamamycine zeigt eine Vielfalt an unterschiedlichen biologischen Aktivitäten, was sie zu einem interessanten Forschungsgebiet macht. Ein Hauptaspekt, der die Weiterentwicklung dieser Stoffe zu industriell genutzten Stoffen verhindert, ist die Komplexität deren Isolierung, da durch den Einbau verschiedener Primärmetaboliten mindestens 18 verschiedene Derivate produziert werden. Durch gezielte genetische Modifikation der primären Stoffwechselwege in Streptomyces albus J1074 konnte die Versorgung dieser Metaboliten modifiziert und die Produktion der Pamamycin Derivate erfolgreich gesteuert werden.

Natural products from Actinobacteria are an important source for the development of new medicines. The focus of the presented work was therefore, on the discovery of new natural substances and on the further development of already known, but unexploited natural products. By selecting and expressing biosynthetic gene clusters from the strain Saccharothrix espanaensis in the optimized host Streptomyces lividans, two new polyketides, pentangumycin and SEK90, were discovered. After their successful isolation, their structures and biosynthetic pathways were elucidated, and their biological activity was determined. With this application of the heterologous expression, we could demonstrate its great utility as universal approach for new natural products discovery also from non-Streptomyces Actinobacteria. The group of polyketide natural products pamamycins possesses a variety of biological activities and is therefore, a very interesting research topic. A main aspect that prevents their further development to industrially used substances is the complexity of their isolation, since at least 18 different derivatives are produced by the incorporation of different precursors. Through genetic manipulations of primary metabolic pathways in Streptomyces albus J1074, the supply of precursors into the heterologously expressed pamamycin biosynthetic pathway was changed leading to a modified spectrum of accumulated pamamycins.