Discovery of new natural products and biosynthetic gene clusters encoded in the genome of Streptomyces albus subsp. chlorinus

Abstract

Streptomyces genomes encode numerous gene clusters able to synthesize secondary metabolites with potential pharmaceutical applications. However, a great number of these genes remain unexpressed under standard laboratory growth conditions, therefore hiding a rich reservoir of natural products in their encoded metabolic pathways. In this work, we applied two strategies to induce the expression of silent gene clusters from Streptomyces albus subsp. chlorinus: heterologous expression and in situ ribosome engineering. In the first approach, a cryptic gene cluster encoded by S. albus subsp. chlorinus genome was heterologously expressed in the chassis strain Streptomyces albus Del14. The resulting strain produced the previously known antibiotic nybomycin, which is potently active against quinolone-resistant Staphylococcus aureus. Expression of the nybomycin cluster in S. albus Del14 also resulted in the biosynthesis of the novel compound benzanthric acid, which might be the product of interaction between the nybomycin pathway and the host´s metabolism. In the second approach, we selected a highly streptomycin-resistant mutant derived from S. albus subsp. chlorinus. This strain exhibited enhanced expression of a type II PKS gene cluster compared to the wild type strain, leading to overproduction of the novel compound fredericamycin C2. A point mutation leading to lack of RsmG protein is likely to be responsible for the mutant phenotype.

Das Chromosom von Streptomyceten enthält zahlreiche Gencluster, welche die Baupläne für die Synthese von Naturstoffen und potentiellen Therapeutika beinhalten. Dennoch kann unter Standard-Laborbedingungen oftmals nur eine unzureichende Expression dieser Gene erzielt werden. Eine bedeutende Anzahl von Naturstoffen bleibt somit unentdeckt. In dieser Arbeit haben wir zwei unterschiedliche Strategien angewandt, um die Expression von stillen Genclustern des Stammes Streptomyces albus subsp. chlorinus zu aktivieren: Heterologe Expression und in situ Ribosom-Engineering. Im ersten Ansatz wurde ein kryptisches Gencluster aus S. albus subsp. chlorinus im Wirt Streptomyces albus Del14 exprimiert. Die Mutante produzierte Nybomycin, ein bereits bekanntes Antibiotikum mit hoher Aktivität gegen Chinolon-resistenten Staphylococcus aureus. Die Expression des Nybomycin-Genclusters in S. albus Del14 stimulierte außerdem die Synthese des neuen Naturstoffs Benzanthric Acid - einem Produkt aus der Interaktion des Nybomycin-Stoffwechsels mit dem Wirtsmetabolismus. Für den zweiten Ansatz wurde eine stark Streptomycin-resistente Mutante von S. albus subsp. chlorinus gewählt, die im Vergleich zum Wildtyp eine erhöhte Expression eines Type II PKS Genclusters aufwies. Dies führte zur Produktionssteigerung der neuen Substanz Fredericamycin C2. Ursächlich für diesen Phänotyp ist das Fehlen des RsmG-Proteins ausgelöst durch eine Punktmutation.