Discovery of natural products through heterologous expression of biosynthetic gene clusters in Streptomyces albus

Abstract

This thesis focused on the identification of new natural products through heterologous expression of their cluster in the Streptomyces albus Del14 strain. Genomic library of a rare actinomycete strain Kutzneria albida DSM 43870 was used as a source of secondary metabolite clusters. Two clusters of K. albida were successfully expressed in S. albus Del14. Expression of a cryptic nucleoside gene cluster led to the production of a new member of pyrrolopyrimidine family of natural products which was called huimycin. Expression of the cryptic NRPS cluster led to the production of a new cyclopeptide called cyclohuinilsopeptin A. Both compounds were isolated and their structures were elucidated by NMR. Biosynthetic pathways for the isolated compounds were proposed based on sequence analysis and on the results of gene inactivation studies. Another focus of this work was deciphering of the biosynthetic pathway leading to the production of isoquinoline alkaloids mansouramycins in Streptomyces albus. Mansouramycin biosynthetic cluster was identified by heterologous expression and gene inactivation studies. Results of extensive genetic experiments and feeding studies indicate that the identified biosynthetic pathway leading to the production of isoquinolines mansouramycins is new. In contrast to all known isoquinoline biosynthetic routes, tryptophan instead of tyrosine serves as a main precursor for the production of mansouramycins.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Identifizierung neuer Naturstoffe durch heterologe Expression biosynthetischer Gencluster in dem Stamm Streptomyces albus Del14. Eine Genbibliothek eines Actinomyceten, Kutzneria albida DSM 43870, wurde als Quelle der Biosynthesegencluster verwendet. Zwei Gencluster konnten erfolgreich in S. albus Del14 exprimiert werden. Die Expression eines kryptischen Nucleosid-Genclusters führte zur Produktion eines Naturstoffs aus der Gruppe der Pyrrolopyrimidine, welcher Huimycin genannt wurde. Darüber hinaus führte die Expression eines NRPS Genclusters zur Produktion eines neuen cyclischen Peptids namens Cyclohuinilsopeptin A. Beide Stoffe wurden isoliert und die Struktur wurde mittels NMR aufgeklärt. Vermutungen zur Biosynthese wurden basierend auf der Analyse des jeweiligen Clusters und auf Ergebnissen von Geninaktivierungen erstellt. Ein weiterer Fokus dieser Arbeit liegt auf der Entschlüsselung der Biosynthese des Isochinolin-Alkaloids Mansouramycin in Streptomyces albus. Der Gencluster, welcher für die Biosynthese verantwortlich ist, wurde durch heterologe Expression und Geninaktivierungen identifiziert. Die Ergebnisse umfangreicher genetischer Experimente sowie Fütterungsstudien führten zur Entdeckung des neuen Biosynthesewegs des Isochinolins Mansouramycin. Im Gegensatz zu bekannten Biosynthesewegen von Isochinolinen dient Tryptophan anstelle von Tyrosin als Vorstufe für die Produktion vom Isochinolin Mansouramycin D.