Developing heterologous expression platforms for biosynthetic pathways of myxobacterial natural products

Abstract

Natural products from myxobacteria gained increasing interest for pharmaceutical applications in the last decades due to their promising bioactivities. This thesis covers the heterologous production and biosynthesis elucidation of three potent myxobacterial compounds. The design, assembly, and heterologous expression of a synthetic myxovalargin (MXV) gene cluster lead to production of competitive yields in the surrogate host M. xanthus DK1622. The established heterologous expression platform for MXV was used to initiate in-depth analysis of the involvement of the putative β-hydroxylase MxvH and the single PCP domain MxvB in the MXV biosynthesis. In order to further elucidate the biosynthesis of the disciformycins (DIF), a previously developed heterologous expression platform of the core PKS genes difBCDEFG in M. xanthus DK1622 was utilized to search for essential tailoring enzymes. With this approach the Fe-S oxidoreductase DifH was identified as the responsible enzyme for the C-C double bond formation at C-3 of the DIF scaffold. The biosynthesis of the maracens and maracins is still hypothetical to this date. The design and assembly of a synthetic putative gene cluster and the heterologous expression thereof in M. xanthus DK1622 did not yield production of the target compound so far. Nevertheless, the designed construct could be used for future efforts to successfully produce the maracens and maracins in a suitable surrogate host.

Da Naturstoffe aus Myxobakterien vielversprechende Bioaktivitäten aufweisen, ist das Interesse an ihnen für pharmazeutische Anwendungen in den letzten Jahrzehnten stetig gestiegen. Diese Thesis befasst sich mit der heterologen Produktion und Aufklärung der Biosynthese von drei Verbindungen mit starken antibiotischen Wirkungen. Design, Assemblierung und heterologe Expression eines synthetischen Myxovalargin (MXV) Genclusters in dem Wirt M. xanthus DK1622 haben zu konkurrenzfähigen Produktionsraten geführt. Die etablierte heterologe Expressionsplattform konnte als Anstoß zu einer tiefer greifenden Analyse der zwei beteiligten Enzymen MxvH, einer mutmaßlichen β-hydroxylase, und MxvB, einer alleinstehenden PCP-Domäne, dienen. Um die Biosynthese der Disciformycine weiter aufzuklären, wurde eine bestehende heterologe Expressionsplattform der Kern-PKS Gene in M. xanthus DK1622 verwendet, um nach weiteren notwendigen Enzymen zu suchen. Dabei wurde die Fe-S Oxidoreduktase DifH als Enzym identifiziert, das die Doppelbindung an der C-3 Position des DIF Kerngerüstes einbaut. Die Biosynthese von Maracen und Maracin ist bis dato nicht aufgeklärt. Design, Assemblierung und heterologe Expression eines synthetischen Genclusters in dem Wirt M. xanthus DK1622 hat bisher nicht zu der gewünschten Produktion geführt. Dennoch könnte das hier entwickelte Konstrukt zukünftigen Bemühungen dienen, Maracen und Maracin in einem passenden Wirt heterolog zu produzieren.