The biochemistry of Bottromycin biosynthesis and ribosomal natural product engineering

Abstract

Ribosomal synthetisierte und post-translational modifizierte Peptide (RiPPs) sind eine große Klasse von Naturstoffen mit vielfältigen Bioaktivitäten. Trotz ihres ribosomalen Ursprungs weisen RiPPs eine hohe strukturelle Diversität auf, die das Resultat post-translational agierender Enzyme sind. Ein besseres Verständnis der unterliegenden Biosynthese-Mechanismen ermöglicht die Entdeckung von neuen RiPPs und ihre Weiterentwicklung. In dieser Arbeit wurde die Biosynthese des Grundgerüstes der Bottromycine mit einem in vitro Ansatz aufgeklärt. Die Charakterisierung der an der Synthese dieses antibiotisch wirkenden RiPP beteiligten Enzyme brachte einige Überraschungen hervor. So konnte zum Beispiel gezeigt werden, dass eine α/β-Hydrolase als Aspartat-Epimerase fungiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit haben zu einer Revision des für Bottromycine vorgeschlagenen Biosyntheseweges geführt und unser biochemisches Verständnis der RiPP Biosynthese grundsätzlich erweitert. Zusätzlich kann die in vitro Biosynthese der Bottromycin Grundstruktur nun zur Herstellung von Derivaten und weiteren Entwicklung dieser Naturstoffe genutzt werden. RiPP Enzyme sind in der Lage verschiedenste, synthetisch schwer zugängliche Modifikationen in Peptide einzufügen. Die Kombination dieser Enzyme aus unverwandten Biosynthesewegen ist jedoch nur sehr eingeschränkt möglich. In dieser Arbeit wurde mit biochemischen Methoden die Machbarkeit eines neuen Konzeptes zur Herstellung von Neonaturstoff-Bibliotheken gezeigt.

Ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides (RiPPs) are a major class of natural products with a wide variety of biological activities. They owe their structural diversity to extensive post-translational modifications of a ribosomal peptide through RiPP biosynthetic enzymes. A better understanding of these enzymes facilitates the discovery, production and engineering of RiPPs. In this thesis, the biosynthesis of the bottromycin core scaffold was elucidated with an in vitro approach. The characterization of the enzymes involved in the biosynthesis of this antibiotic RiPP revealed several unexpected enzymatic activities and dependencies. We could, for example, demonstrate that a predicted α/β-hydrolase functioned as an aspartate epimerase. The results of this thesis have led to a revision of the proposed biosynthetic route for bottromycins and given new insights into RiPP biosynthesis in general. In addition, ready access to the bottromycin core scaffold can now be used to produce bottromycin derivatives and thus develop these natural products. RiPP enzymes are able to install a wide variety of modifications into peptides that are difficult to access synthetically. The combination of these enzymes from unrelated pathways is very challenging. In this thesis biochemical methods were employed to provide proof-of-concept for a new approach that is going to enable the production of neo-natural product libraries.