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Synthesis and validation of novel chemical probes for the investigation of nonribosomal peptide biosynthesis

Otto Kostner

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Chemie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Chemie

Betreuer*in

Lothar Brecker

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DOI

10.25365/thesis.35910

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30186.65409.275965-5

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Eine der bedeutendsten Ansätze für die Entwicklung neuer Wirkstoffe, ist die chemische Abwandlung von Naturstoffen mit bekannten Strukturen und Wirkungen. Der wohl eleganteste Weg modifizierte Naturstoffe zu produzieren, ist die genetische Manipulation und Kultivierung geeigneter Mikroorganismen. Dies setzt allerdings voraus, dass die entsprechenden Mechanismen der Biosynthese dieser Substanzen möglichst genau bekannt sind. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erforschung der Mechanismen der nichtribosomalen Peptidbiosynthese. Nichtribosomale Peptide (NRPs) werden von Multienzymkomplexen, genannt NRPSs (nonribosomal peptide synthetases), in einigen Pilzen und Bakterien produziert und besitzen z.T. einzigartige biologische Aktivitäten von besonderer Bedeutung. Zu diesen zählen u.a. antibiotische, zytostatische und immunsuppressive Wirkungen. Das prominenteste Beispiel stellt wohl die Gruppe der antibiotisch wirksamen Penicilline dar. In den vergangenen Jahrzehnten wurde ein enormer Fortschritt im Verständnis der Arbeitsweise von NRPSs erreicht und mittlerweile konnten bereits die Strukturen einiger bis dahin unbekannter NRPs von der entsprechenden genetischen Information abgeleitet werden. Dennoch sind in vielen Fällen mechanistische Details der Biosynthese der schrittweise aufgebauten Peptide noch vollkommen unklar, was die Entwicklung neuer Untersuchungsmethoden notwendig macht. Die mechanistischen Unklarheiten sind besonders darin begründet, dass die verschiedenen Intermediate der Biosynthese über den gesamten Syntheseprozess kovalent an den Enzymkomplexen gebunden sind. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Strategie für die Synthese von Aminosäurederivaten, die in Fütterungsexperimenten erwartungsgemäß mit den NRPSs wechselwirken und die Intermediate der nichtribosomalen Peptidbiosynthese in vivo abfangen. Nach Extraktion der Bakterien, sollte eine Analyse mittels UPLC-HR-ESI-MS die Anwesenheit der erwarteten Intermediate verifizieren. Diese und ähnliche Prinzipien werden von der Tosin Gruppe, für Untersuchungen an Polyketidsynthasen (PKSs) bereits erfolgreich angewandt. Die vorliegende Arbeit präsentiert die erste erfolgreich Synthese, Reinigung und Charakterisierung verschiedener Aminosäurederivate. Dabei wird besonderes Augenmerk auf die Entwicklung der Synthesestrategie von Verbindung 14a gelegt, da diese Verbindung nach bestem Wissen und Gewissen den ersten Vertreter der Aminoacyl carba(dethia)-N-decanoyl cysteamine darstellt. Von diesen Aminosäurederivaten wird erhofft, dass sie Intermediate der nichtribosomalen Peptidbiosynthese abzufangen vermögen. Allerdings scheinen die getesteten Verbindungen für den untersuchten Bakterienstamm S. lasaliensis ACP12 (S970A) relativ toxisch zu sein. Bislang konnte kein abgefangenes Intermediat detektiert werden. Weitere Untersuchungen sind gegenwärtig am Laufen.

Abstract

(Englisch)

One of the most important approaches for the development of new drugs is the chemical modification of natural products with known structures and effects. The most elegant way to produce modified natural products is probably the genetic manipulation and cultivation of suitable microorganisms. However, this requires a detailed understanding of the underlying biosynthetic mechanisms. The present work addresses the investigation of the mechanisms of nonribosomal peptide biosynthesis. Nonribosomal peptides (NRPs) are produced by multienzyme complexes, called NRPSs (nonribosomal peptide synthetases), in some fungi and bacteria, and some of them show unique biological activities of particular importance. These include, inter alia, antibiotic, cytostatic and immunosuppressive effects. The best known example is probably the β-lactam antibiotic penicillin. The last decades brought an enormous progress in the understanding of NRPS assembly line operations and in special cases it was already possible to derive the structure of previously unknown NRPs from the corresponding genetic information. However, some mechanistic details of the biosynthesis of these peptides are often still completely unclear. This makes the development of new methods of investigation necessary. The mechanistic uncertainties are particularly based on the fact that the various intermediates of the NRP biosynthesis are covalently bound to the enzyme complexes throughout the whole assembly process. The aim of this work was to develop a strategy for the synthesis of amino acid derivatives that in feeding experiments are expected to interact with the NRPSs in a way to allow the in vivo off-loading of intermediates. After extraction of the bacteria, analysis of the extracts by UPLC-HR-ESI-MS should verify the presence of the expected intermediates. These and similar principles are already applied successfully by the Tosin group for investigations on polyketide synthases (PKSs). This work presents the first successful synthesis, purification and characterization of various amino acid derivatives. Particular attention is paid to the development of the synthetic strategy which led to compound 14a. To the best of my knowledge, this substance represents the first described aminoacyl carba(dethia)-N-decanoyl cysteamine. It is hoped that these amino acid derivatives are able to trap intermediates of the NRP biosynthesis in near future. However, the tested compounds appear to be relatively toxic for the investigated bacterial strain S. lasaliensis ACP12 (S970A). Thus, no intermediate, off-loaded from NRPSs by using these probes, could be detected so far. Further work is currently being made within the Tosin group.

Autor*innen

Otto Kostner

Haupttitel (Englisch)

Synthesis and validation of novel chemical probes for the investigation of nonribosomal peptide biosynthesis

Paralleltitel (Deutsch)

Synthese und Validierung neuartiger chemischer Verbindungen für die Untersuchung der Biosynthese nichtribosomaler Peptide

Publikationsjahr

2015

Umfangsangabe

82 S.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Lothar Brecker

Klassifikationen

35 Chemie > 35.69 Organische Chemie: Sonstiges ,

42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie

AC Nummer

AC12374129

Utheses ID

31828

Studienkennzahl

UA | 066 | 862 | |

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Schlagwörter