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Discovery of novel biologically active molecules via conventional and genome-guided bioprospecting of actinomycete bacteria

Jaime Felipe Guerrero Garzón

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium NAWI aus d. Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Pharmazie)

Betreuer*in

Sergey B. Zotchev

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DOI

10.25365/thesis.59046

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-15560.88748.879589-5

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Actinomyceten-Bakterien sind ausgezeichnete Quellen für eine Vielzahl von biologisch aktiven Verbindungen. Im Rahmen des aktuellen Projekts wurden mehrere von verschiedenen Herkünften isolierte Aktinomyceten zur Herstellung neuartiger bioaktiver Sekundärmetaboliten untersucht. Zwei Ansätze wurden angewandt, um solche Moleküle zu finden und zu isolieren. Einerseits wurde der traditionelle Bioprospecting-Ansatz verwendet, indem die Stämme unter verschiedenen Wachstumsbedingungen kultiviert wurden, gekoppelt mit Bioaktivitätsprüfungen, HPLC-MS- und NMR-Analysen. Andererseits wurde ein "Genome Mining"-Ansatz in Verbindung mit gentechnischen Techniken wie der heterologen Expression von biosynthetischen Genclustern (BGCs) und der Überexpression von positiven Transkriptionsregulatoren zur Herstellung von Sekundärmetaboliten angewendet. Die Bioprospektion von Streptomyceten, die aus einer äthiopischen Wüste isoliert wurden, ermöglichte die Reinigung von zwei antibakteriellen Anthrazyklinen, deren Strukturen durch NMR und HRMS aufgeklärt wurden. Die Analyse des Genoms dieses Bakteriums bestätigte sein Potenzial zur Biosynthese chemisch unterschiedlicher Naturprodukte und erlaubte es, bestimmte BGCs mit experimentell identifizierten Metaboliten zu verbinden. Die Bioprospektion eines weiteren Streptomyces Stammes, der aus einem Tiefseesediment isoliert wurde, das im Pazifischen Ozean gesammelt wurde, ermöglichte die Identifizierung der antimykotischen Verbindung Cycloheximid und eines möglicherweise neuartigen Tripeptidsiderophors. Im Genom dieses Isolats wurden entsprechende BGCs gefunden. Ein aus der Rhizosphäre von Edelweiß isolierter Kitasatospora Stamm produzierte antibakterielle Chlortetracycline zusammen mit zwei potenziell neuen Verbindungen. Ein Stamm der Gattung Amycolatopsis aus der mongolischen Steppe lieferte Extrakte, die gegen ein grampositives Bakterium wirksam ist. Die bioaktive Verbindung wurde gereinigt und ihre Struktur durch NMR als 1,2,4-trimethoxynaphthalene bestimmt. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass dieser Stamm verschiedene Tigloside produziert, die keine antimikrobielle Aktivität zeigten. Anschließend wurde das Genom dieses Stammes auf das Vorhandensein von Biosynthesegenen für Sekundärmetaboliten analysiert, wodurch mehrere einzigartige BGCs identifiziert werden konnten. Dieser Analyse folgte die Klonierung und erfolgreiche heterologe Expression eines einzigartigen Lassopeptids BGC, wodurch zwei neuartige bioaktive Lassopeptide produziert wurden.

Abstract

(Englisch)

Actinomycete bacteria are excellent sources for a wide range of biologically active compounds. In the current project, several actinomycetes isolated from different environments were investigated for production of novel bioactive secondary metabolites. Two approaches were applied to find and isolate such molecules. On one hand, the traditional bioprospecting approach was used by cultivating the strains in different growth conditions coupled with bioactivity testing, HPLC-MS and NMR analyses. On the other hand, a ―genome mining‖ approach coupled with genetic engineering techniques such as heterologous expression of biosynthetic gene clusters (BGCs) and overexpression of positive transcriptional regulators to produce secondary metabolites was applied. Bioprospecting of Streptomyces isolated from an Ethiopian desert yielded the purification of two antibacterial anthracyclines, which structures were elucidated by NMR and HRMS. Analysis of this bacterium’s genome confirmed its potential to biosynthesize chemically diverse natural products, and allowed to connect certain BGCs with experimentally identified metabolites. Bioprospecting of another Streptomyces strain isolated from a deep-sea sediment collected in Pacific Ocean allowed identification of the antifungal compound cycloheximide and a potentially novel tripeptide siderophore. Corresponding BGCs were found in the genome of this isolate. A Kitasatospora strain isolated from the rhizosphere of Edelweiß was shown to produce antibacterial chlortetracyclines along with two potentially novel compounds. A strain of the genus Amycolatopsis from the Mongolian steppe yielded extracts active against a Gram-positive bacterium. The bioactive compound was purified, and its structure determined by NMR as 1,2,4-trimethoxynaphthalene. In addition, this strain was found to produce various tiglosides that did not display antimicrobial activity. Next, the genome of this strain was analyzed for the presence on secondary metabolite biosynthesis genes, allowing identification of several unique BGCs. This analysis was followed by cloning and successful heterologous expression of one unique lasso peptide BGC, yielding production of two novel bioactive lasso peptides.

Autor*innen

Jaime Felipe Guerrero Garzón

Haupttitel (Englisch)

Discovery of novel biologically active molecules via conventional and genome-guided bioprospecting of actinomycete bacteria

Paralleltitel (Deutsch)

Entdeckung neuer biologisch aktiver Moleküle durch konventionelle und genomgesteuerte Bioprospektion von Aktinomyceten-Bakterien

Publikationsjahr

2019

Umfangsangabe

109 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Roderich Süssmuth ,

Jörn Piel

Klassifikation

30 Naturwissenschaften allgemein > 30.00 Naturwissenschaften allgemein: Allgemeines

AC Nummer

AC15492953

Utheses ID

52128

Studienkennzahl

UA | 796 | 610 | 449 |

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Schlagwörter