Systems biology of Streptomyces albus to produce the antituberculosis polyketide pamamycin

Abstract

Streptomycetes produce a range of polyketides, a class of small natural molecules with interesting bioactive properties that have significantly contributed to human well-being over the past decades. Therefore, the exploration of these microbes towards a streamlined overproduction of polyketides and the discovery of novel ones receives high interest. In this regard, this work deals with the development and establishment of an analytical approach, using LC-MS/MS to quantify intracellular CoA thioesters, the cellular building blocks to derive polyketides, as well as other products of interest. The developed method was validated for various microbes and then used to gain insight into the biosynthesis of pamamycins, a polyketide family with up to 16 isomers, in the heterologous host Streptomyces albus. First, this unraveled the link between CoA thioester availability and pamamycin spectrum. Second, the combined analysis of metabolome and transcriptome of S. albus, grown under different conditions, provided a global view on pamamycin production and its regulation. The amino acid L-valine emerged as beneficial medium supplement, as it substantially increased production. Inter alia, this led to the construction of a bkdR regulator mutant, which provided larger fractions of so far inaccessible heavy pamamycin derivatives.

Streptomyceten produzieren zahlreiche Polyketide, eine Klasse kleiner natürlicher Moleküle mit interessanten Eigenschaften, die im Laufe der letzten Jahrzehnte maßgeblich zum Wohlbefinden der Menschheit beigetragen haben. Die Erforschung dieser Mikroben mit dem Ziel einer zielgerichteten Überproduktion, sowie der Entdeckung neuer Substanzen erlangt größtes Interesse. In diesem Zusammenhang befasst sich diese Arbeit mit der Entwicklung und Etablierung einer analytischen Pipeline zur Quantifizierung von intrazellulären CoA-Thioestern mittels LC-MS/MS, wichtige Bausteine für Polyketide sowie anderer interessanter Produkte. Die hier entwickelte Methode wurde an unterschiedlichen Mikroben validiert und danach angewendet um nähere Einblicke in die Biosynthese der Pamamycine, eine Polyketide-Familie mit bis zu 16 Isomeren, in dem heterologen Produzenten Streptomyces albus zu erhalten. Dies enthüllte zunächst den Zusammenhang zwischen der Verfügbarkeit von CoA-Thioestern und dem Pamamycin-Spektrum. Zweitens lieferte die kombinierte Analyse von Metabolom und Transkriptom von S. albus, die unter verschiedenen Bedingungen kultiviert wurden, einen globalen Überblick über die Pamamycin-Produktion und ihrer Regulation. Die Aminosäure L-valin stellte sich als ideale Medienergänzung heraus, da sie die Produktion wesentlich erhöhte. Dies führte unter anderem zur Konstruktion einer bkdR-Regulatormutante, die größere Fraktionen bisher unzugänglicher schwerer Pamamycin-Derivate lieferte.