Genomic mining and biosynthetic pathway study of natural products derived from Actinomycetes

Abstract

With the increasing emergence of drug-resistant microbes, developing new bioactive natural products has become imperative. Actinomycetes, known for their ability to produce a diverse array of bioactive natural products, are consequently of significant interest in drug development. As a crucial source of natural products, efficient genomic mining techniques for Actinomycetes are critical to the discovery and biosynthesis of these compounds. Acidomycin and stravidins inhibit Mycobacterium tuberculosis (Mtb) by targeting biotin biosynthesis in vitro. This study utilized the coding genes for biotin-binding proteins derived from Actinomycetes, specifically streptavidin, as mining markers to identify the biosynthetic gene clusters for acidomycin and stravidins. Additionally, two other compound families potentially related to the inhibition of biotin biosynthesis were discovered. Furthermore, through in vitro reconstitution, this study elucidated the sequence of amino acid residue loading and postmodification steps in the biosynthesis of stravidins, laying the foundation for subsequent synthetic biology research related to stravidins. For decades, the biosynthetic pathway of the aspartyl protease inhibitor pepstatin remained undisclosed. This research revealed that the biosynthetic gene cluster for pepstatin does not follow a linear principle but is highly dispersed. The biosynthesis of pepstatin involves the repeated use of multiple modules and a statine biosynthetic pathway that differs from those in Gram-negative bacteria. The reconstitution of the pepstatin biosynthesis pathway has been completed.

Mit dem zunehmenden Aufkommen medikamentenresistenter Mikroben ist die Entwicklung neuer bioaktiver Naturstoffe imperativ geworden. Actinomyceten, bekannt für ihre Fähigkeit, eine vielfältige Palette an bioaktiven Naturstoffen zu produzieren, sind folglich von erheblichem Interesse im Bereich der Arzneimittelentwicklung. Als entscheidende Quelle für Naturstoffe sind effiziente genomische Mining-Techniken für Actinomyceten der Schlüssel zur Entdeckung und Biosynthese dieser Verbindungen. Acidomycin und Stravidine hemmen Mycobacterium tuberculosis (Mtb) durch die Zielsetzung der Biotin-Biosynthese in vitro. Die hier vorliegende Studie nutzte die kodierenden Gene für Biotinbindende Proteine, die von Actinomyceten stammen, speziell Streptavidin, als Mining-Marker zur Identifikation der Biosynthese-Gencluster für Acidomycin und Stravidine. Zudem wurden zwei weitere Verbindungsfamilien entdeckt, die potenziell mit der Hemmung der Biotin-Biosynthese in Verbindung stehen. Darüber hinaus erläuterte die Studie durch in vitro Rekonstitution die Sequenz der Aminosäurerestbeladung und der Postmodifikationsschritte in der Biosynthese von Stravidinen und legte damit den Grundstein für nachfolgende Forschungen in der synthetischen Biologie im Zusammenhang mit Stravidinen. Seit Jahrzehnten blieb der biosynthetische Weg des Aspartyl-Protease-Inhibitors Pepstatin unerschlossen. Diese Forschung offenbarte, dass der Biosynthese-Gencluster für Pepstatin keinem linearen Prinzip folgt, sondern hochgradig verteilt ist. Die Biosynthese von Pepstatin involviert die wiederholte Verwendung mehrerer Module und einen Statin-Biosyntheseweg, der sich von jenen in Gram-negativen Bakterien unterscheidet. Die Rekonstitution der Pepstatinbiosynthese wurde erfolgreich abgeschlossen.