Analysis of the myxobacterial secondary metabolome facilitated by supercritical fluid technologies and magnetic resonance mass spectrometry

Abstract

Myxobakterien sind eine wertvolle Quelle für biologisch aktive und strukturell diverse Naturstoffe (NP). Neben Steigerung der NP-Produktion durch Aktivierung ihrer Biosynthesemaschinerie wurde in dieser Arbeit der Einfluss von unterrepräsentierten Techniken in diversen Schritten des myxobakteriellen NP-Entdeckungsprozesses evaluiert. Dabei wurden bakterielle Extrakte durch Direktinjektion an einem Fourier-Transformations-Ionenzyklotron-Massenspektrometer (DI-FTICR), sowie nach Extraktion und Chromatographie mit überkritischem CO2 (SFE & SFC) analysiert. Die DI-FTICR-Analyse zeigte, dass eine immense Menge an NPs nicht detektierbar bleibt, wenn man die Nachweismethode auf gängige Methoden beschränkt. SFE erhöhte die biologischen Aktivitäten der Extrakte und ermöglichte die Isolierung eines neuen NP, der Chloroxanthinsäure. SFC zeigte überlegene Eigenschaften für die Isolierung von permanent geladenen NPs und wurde erfolgreich für die Isolierung natürlicher und synthetischer Sandaramine und Sandacrabine eingesetzt. Diese beiden NP-Familien werden von der neuen Spezies Sandaracinus MSr10575 produziert. Die Genomanalyse des Stammes zeigte ein Plasmid-kodiertes Biosynthese-Gencluster, dessen molekularbiologische Aktivierung die Sandarazol-Familie hervorbrachte. Alle drei aus Sandaracinus MSr10575 isolierten NP-Familien wiesen potente biologische Aktivitäten auf, wobei insbesondere die antivirale Aktivität der Sandaramine gegen das SARS-CoV2-Modellvirus CoV229E hervorzuheben ist.

Myxobacteria are a valuable source of biologically active and highly diverse natural products (NP). Besides enhancing NP production by activating the underlying biosynthetic machinery, this thesis evaluates the impact of underrepresented techniques at several steps of the myxobacterial NP discovery workflow. Herein, direct injection on a Fourier transform ion cyclotron mass spectrometer (DI-FTICR), as well as supercritical fluid extraction and chromatography (SFE & SFC) were used to analyze and purify bacterial extracts. The DI-FTICR analysis revealed, that an immense number of secondary metabolites remains untapped when limiting the detection method to the typical analytical setups. SFE significantly enhanced detectable biological activities of the bacterial crude extracts and supported isolation of a new NP, chloroxanthic acid A. Finally, SFC showed superior properties for the isolation of permanently charged NPs and was successfully applied for the isolation of natural and synthetic sandaramines and sandacrabins. Those two NP-families are produced by the new myxobacterial species Sandaracinus MSr10575. The strains’ genome analysis moreover revealed a plasmid-encoded biosynthetic gene cluster, whose genetic activation yielded the sandarazol family. All three NP families isolated from Sandaracinus MSr10575 exhibit potent biological activities, particularly the antiviral activity of the sandaramines against the SARS-CoV2 model virus CoV229E.