Heterologous expression for the discovery and biosynthesis studies of myxobacterial natural products

Abstract

Myxobacteria have immense underexplored biosynthetic potential for the discovery of novel natural products as revealed by large-scale genome sequencing. Due to their slow growth and intractability for in situ genetic engineering of most myxobacterial strains, heterologous expression could represent an effective approach for genome mining of the huge untapped gene cluster resources and investigation of natural product biosynthesis. In this thesis, the disorazole biosynthetic pathways from S. cellulosum strains were characterized by extensive gene cluster engineering and subsequent heterologous expression in M. xanthus DK1622, resulting in the generation of several novel derivatives. In addition, the tailoring O-methylation and unusual oxidations mediated by Coq4 domain-containing hypothetical proteins were uncovered. Furthermore, heterologous expression of a coelibactin-like NRPS gene cluster from the Sorangiineae strain MSr11367 in M. xanthus DK1622 led to the discovery of sorangibactins featuring an unprecedented thiolactone moiety. Molecular engineering of the sorangibactin biosynthetic gene cluster revealed unusual biosynthesis features, such as the P450 enzyme-mediated oxazoline dehydrogenation and the thioesterase domain-mediated C-terminal γ-thiolactone formation. The novel (bio)chemistries presented in this study can serve as a promising starting point for further investigations.

Myxobakterien verfügen über ein immenses, noch nicht ausreichend erforschtes Biosynthesepotential für die Entdeckung neuer Naturstoffe, was durch angelegte Genomsequenzierung gezeigt werden konnte. Aufgrund ihres langsamen Wachstums und der Schwierigkeit, die meisten Myxabakterien in situ genetisch zu verändern, könnte die heterologe Expression einen effektiven Ansatz darstellen, um die riesigen, noch nicht erschlossenen Gencluster-Ressourcen und die Biosynthese von Naturstoffen zu erforschen. In dieser Arbeit wurden die Disorazol-Biosynthesewege von S. cellulosum-Stämmen durch umfangreiche Modifizierung des Genclusters und anschließende heterologe Expression in M. xanthus DK1622 charakterisiert, was zur Bildung mehrerer neuer Derivate führte. Darüber hinaus wurden die O-Methylierung und ungewöhnliche Oxidation aufgedeckt, die durch hypothetische Proteine mit Coq4-Domäne vermittelt werden. Darüber hinaus führte die heterologe Expression eines Coelibactin-ähnlichen NRPS-Genclusters aus dem Sorangiineae-Stamm MSr11367 in M. xanthus DK1622 zur Entdeckung von Sorangibactinen, die eine beispiellose Thiolactoneinheit aufweisen. Durch molekularbiologische Eingriffe in das Sorangibactin-Biosynthese Gencluster wurden ungewöhnliche Biosynthesemerkmale aufgedeckt, wie die durch das P450-Enzym vermittelte Oxazolindehydrierung und die durch die Thioesterasedomäne vermittelte C-terminale γ-Thiolactonbildung. Die in dieser Studie vorgestellten neuen (Bio)chemien können als vielversprechender Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen dienen.