Exploring the biosynthetic potential of Cystobacter sp. SBCb004

Abstract

Myxobacteria are a fruitful source of natural products, which often feature unique chemical structures and potential pharmaceutical applications. However, their biosynthetic potential is underexplored. This thesis focused on exploring the hidden biosynthetic potential of myxobacterium Cystobacter sp. SBCb004. In chapter one, genomic analyses coupled with metabolomics analyses revealed an ajudazol like BGC and a set of novel ajudazol derivatives, which presumably use 3,3-dimethylacrylyl-CoA as a starter unit and are characterized by varying degrees of oxidoreduction and different glycosylation patterns. A promiscuous tailoring modification network was proposed and two P450 dependent enzymes and one glycosyltransferase were postulated to be involved according to the mutagenesis work. In chapter two, metabolic profiling uncovered a family of novel peptides later termed cystopipecotides, which exhibit the previously unknown 5-hydroxyl-6-hydroxymethylpipecolic acid (HHMPA) as a building block. The corresponding BGC was identified and the HHMPA biosynthesis was shown to be dependent on concerted actions of transketolases and lysine biosynthetic enzymes by reconstitution of the full pathway in vitro. It represents an unprecedented route to biosynthesize substituted pipecolate in microbes.

Myxobakterien sind eine ergiebige Quelle für Naturstoffe mit einzigartigen chemischen Strukturen und pharmazeutischem Anwendungspotenzial. Ihr biosynthetisches Potenzial ist jedoch noch wenig erforscht. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Erforschung des verborgenen biosynthetischen Potentials des Myxobakteriums Cystobacter sp. SBCb004. Im ersten Kapitel wurden durch die Kombination von Genom- und Metabolomanalysen ein Ajudazol-ähnliches biosynthetisches Gencluster (BGC) und eine Reihe neuartiger Ajudazol-Derivate entdeckt, in deren Biosynthese vermutlich eine 3,3-Dimethylacrylyl-CoA Startereinheit verwendet wird. Außerdem unterscheiden sich die Derivate im Grad der Redoxreaktion und im Glykosylierungsmuster. Mithilfe eines Tailoring-Modifikationsnetzwerks wurden zwei P450-abhängige Enzyme und eine Glykosyltransferase postuliert, deren Beteiligung an der Biosynthese nach einem Mutagenese-Experiment bewiesen wurden. Im zweiten Kapitel wurde durch Metabolomanalyse die neuartige Peptidfamilie der Cystopipecotide identifiziert, welche die bislang unbekannte 5-Hydroxyl-6-hydroxymethylpipecolinsäure (HHMPA) als Baustein enthalten. Das entsprechende BGC konnte ebenfalls identifiziert werden. Darüber hinaus konnte durch eine in vitro Rekonstruktion des gesamten Stoffwechselweges gezeigt werden, dass die HHMPA-Biosynthese von aufeinander folgenden Reaktionen der Transketolasen und Lysin-biosynthetischen Enzymen abhängt. Dies stellt einen bislang unbekannten Weg zur Biosynthese von substituierten Pipecolaten in Mikroben dar.