Discovery and characterization of myxobacterial and actinobacterial natural products by metabolome and genome mining approaches

Abstract

Myxobacteria and actinobacteria have proven to be fruitful resources for novel natural products (NPs) with interesting scaffolds and promising bioactivities. In the course of this work, orthogonal metabolome and genome mining approaches were employed to exploit the biosynthetic potential of the myxobacterial strain MSr11367 for NP discovery. Additionally, studies on the highly antitubercular mycoplanecins produced by the actinobacteria Actinoplanes awajinensis were revived. Three novel myxobacterial compounds termed myxolutamid, pentacyclic acid and glucodiolic acid were successfully identified via metabolome mining using different cultivation conditions and their structures were de novo elucidated via NMR. In parallel, an orthogonal genome mining approach was applied to MSr11367 to further exploit the biosynthetic potential, which led to the discovery of a coelibactin-like nonribosomal peptide synthetase gene cluster. Heterologous expression of this biosynthetic gene cluster was followed by purification of a novel myxobacterial siderophore named sorangibactin, whose uncommon structure was de novo elucidated by NMR uncovering an unusual C-terminal γ-thiolactone moiety. Lastly, genome mining for 4-methylproline pathways resulted in the reawakening of the highly antitubercular mycoplanecins. The four most abundant mycoplanecins were isolated, their structures verified and their binding affinity to their molecular target DnaN determined using microscale thermophoresis.

Myxobakterien und Actinobakterien sind fruchtbare Ressourcen neuartiger Naturstoffe (NS) mit interessanten Strukturen und vielversprechenden Bioaktivitäten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden orthogonale Metabolom- und Genom-Mining Ansätze eingesetzt, um das biosynthetische Potenzial des Stammes MSr11367 zu erschließen und neue myxobakterielle NS zu entdecken. Zudem wurde die Erforschung der stark gegen den Tuberkuloseerreger wirksamen Mycoplanecine aus dem Actinobakterium Actinoplanes awajinensis vorgetrieben. Drei neue myxobakterielle Verbindungen namens Myxolutamid, Pentacyclic acid und Glucodiolic acid wurden durch Metabolom-Mining bei verschiedenen Kultivierungsbedingungen identifiziert, isoliert und ihre Strukturen aufgeklärt. Parallel dazu wurde ein orthogonaler Genom-Mining-Ansatz auf MSr11367 angewandt, was zur Entdeckung eines Coelibactin-ähnlichen nichtribosomalen Peptidsynthetase Genclusters führte. Nach heterologer Expression dieses Genclusters wurde der neue myxobakterielle Eisenchelator Sorangibactin isoliert und dessen Struktur wurde durch umfassende NMR-Experimente de novo aufgeklärt, wobei eine ungewöhnliche C-terminale γ-Thiolacton-Einheit entdeckt wurde. Schließlich führte die genomische Suche nach 4-Methylprolin-Stoffwechselwegen zur Wiederentdeckung der stark antituberkulösen Mycoplanecine. Die vier am besten produzierten Mycoplanecine wurden isoliert, ihre Struktur verifiziert und ihre Bindungsaffinität zu ihrem Target DnaN mittels Thermophorese bestimmt.