Biotechnological access to rare non-proteinogenic amino acids via metabolic engineering

Abstract

This dissertation establishes a microbial platform for the sustainable production of non-proteinogenic amino acids as valuable building blocks for pharmaceuticals and novel biomolecules. The work focuses on cyclic guanidinium-containing amino acids, including enduracididine, capreomycidine, and their hydroxy derivatives, which are key components of clinically relevant antibiotics. Using metabolically engineered bacterial hosts, biosynthetic gene clusters were functionally expressed and optimized to achieve efficient production. Strategies such as increased gene copy number and improved precursor supply significantly enhanced product yields. The results demonstrate the feasibility of fermentative production as a scalable and environmentally friendly alternative to chemical synthesis. This platform provides a basis for the development of next-generation bioactive compounds and protein-based therapeutics.

Die moderne Wissenschaft und Industrie benötigen neue bioaktive Moleküle, die antimikrobielle Resistenz, Nahrungsmittelunsicherheit und Umweltverschmutzung adressieren. Eine tragfähige Strategie ist die Erweiterung des Baukastenrepertoires über die Grenzen der klassischen Synthese hinaus hin zu naturbasierten Gerüsten, die evolutionär selektiert wurden. Nicht-proteinogene Aminosäuren, identifiziert als Bausteine zahlreicher Naturstoffe, sind hierfür exemplarisch. Sie besitzen besondere strukturelle und funktionelle Eigenschaften, die Stabilität und Reaktivität in biologischen Systemen erhöhen. Gleichzeitig sind sie konventionell oft schwer zugänglich und an fossile Rohstoffe oder toxische Reagenzien gebunden. Diese Arbeit etabliert eine nachhaltige Plattform zur mikrobiellen Produktion solcher Bausteine durch Stoffwechselingenieurwesen bakterieller Zellfabriken. Der Schwerpunkt liegt auf zyklisch guanidinhaltigen Aminosäuren als Vorstufen für die Entwicklung neuer Antibiotika. Entsprechende Biosynthesewege wurden für die effiziente Expression in aminosäureüberproduzierenden Stämmen von Corynebacterium glutamicum optimiert. Die konstruierten Stämme erreichten in der Fermentation Gramm-pro-Liter-Produktionen, und die Zielmetabolite wurden aus dem Kulturüberstand isoliert und gereinigt. Die Plattform wurde auf weitere nicht-proteinogene Aminosäuren ausgedehnt und zeigt damit Vielseitigkeit sowie Potenzial für eine künftige Erweiterung.