Heterologous overproduction of new natural products in Streptomyces

Abstract

Secondary metabolites, often referred to as natural products (NPs), produced by Actinobacteria (mostly by Streptomyces) are a major source for antibiotics and other drugs. The genome data of Actinobacteria revealed their great biosynthetic potential to be far from fully exploited. The major reason is that most corresponding biosynthetic gene clusters responsible for the NP production remain “silent” under laboratory conditions or their expression level is too low for the detection and isolation of new molecules. The first part of this thesis is focussing on the discovery, isolation and characterisation of the new NPs cyclofaulknamycin and aorimycins. The discovery of cyclofaulknamycin shows that even well described model organisms like Streptomyces albus J1074, which is under investigations in hundreds of laboratories worldwide, have the potential to still conceal unknown bioactive molecules. This applies even more for newly isolated bacteria, which was shown by the example of the novel NPs aorimycins. The second part focusses on known compounds with unknown pharmaceutical potential. One of the main reasons for that is a low production yield resulting in supply shortage for the profiling of compounds. Herein, a method is tested which utilised random rational designed promoters to increase the NP production level. By the use of this method new derivatives were isolated and further characterised.

Sekundärmetabolite, die oft als Naturstoffe bezeichnet werden, werden oft von Actinobakterien (meist von Streptomyceten) produziert und sind eine wichtige Quelle für Antibiotika und andere Arzneimittel. Die Genomdaten von Actinobakterien haben gezeigt, dass ihr großes biosynthetisches Potenzial noch nicht ausgeschöpft ist. Der Hauptgrund dafür ist, dass die meisten für die Naturstoffproduktion verantwortlichen biosynthetischen Gencluster unter Laborbedingungen nicht aktiv sind oder ihr Expressionsniveau zu niedrig ist, um neue Moleküle nachweisen zu können. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Entdeckung, Isolierung und Charakterisierung der neuen Naturstoffe Cyclofaulknamycin und Aorimycin. Die Entdeckung von Cyclofaulknamycin zeigt, dass selbst gut beschriebene Modellorganismen wie Streptomyces albus J1074, die in hunderten von Laboren weltweit untersucht werden, noch unbekannte bioaktive Moleküle verbergen können. Dies gilt umso mehr für neu isolierte Bakterien, was am Beispiel der neuartigen Aorimycine gezeigt wurde. Der zweite Teil konzentriert sich auf bekannte Verbindungen mit unbekanntem pharmazeutischem Potenzial. Einer der Hauptgründe dafür ist die geringe Produktionsausbeute, die zu Engpässen bei der Profilierung von Verbindungen führt. Hier werden zufällig-rational konzipierte Promotoren eingesetzt, um die Naturstoff-Produktion zu steigern. Mit Hilfe dieser Methode wurden neue Derivate isoliert und weiter charakterisiert.