Microparticles enhance natural product formation in native and metabolically engineered actinobacteria through accelerated morphological development

Abstract

Actinobacteria, especially the genus Streptomyces, provide a plethora of bioactive natural products. Over the last years, the ubiquitous use of antibiotics resulted in the increasing threat of resistant bacteria, explaining the intense research efforts nowadays to identify new bioactive substances and to improve production. Here, we studied the use of inorganic talc microparticles to enhance natural product formation in actinobacteria. Addition of talc to S. albus J1074/R2 tripled pamamycin production up to 50 mg L-1, yielded a specific production spectrum of the derivatives, and strongly reduced pellet size. Systems biology analyses demonstrated the underlying mechanism of the production shift and revealed a globally reprogrammed gene expression. Supplied to S. lividans TK24 DG2-Km-P41hyg+, talc led to increased production of 109 mg L-1 of combined bottromycin A2, a promising antibiotic for drug development. Talc presence resulted in an increased production efficiency by rebalancing the cluster expression and caused an accelerated morphogenesis. Finally, we miniaturized the setup and examined the production of twelve natural products from different actinobacterial genera. In 75% of the studied cases, talc enhanced natural product formation and was even crucial for teicoplanin production. Due to the effectiveness and simplicity, morphology engineering of actinobacteria using talc microparticles appears as a promising approach for future applications.

Actinobacteria, insbesondere die Gattung Streptomyces, liefern eine Vielzahl an bioaktiven Naturstoffen. In den letzten Jahren führte der verstärkte Einsatz von Antibiotika zu einer zunehmenden Bedrohung durch resistente Bakterien, was die heutige intensive Forschung nach neuen bioaktiven Substanzen und deren Produktionsoptimierung begründet. Hier untersuchten wir die Verwendung von anorganischen Talk-Mikropartikeln, um die Naturstoffbildung in Actinobacteria zu steigern. Die Zugabe der Mikropartikel zu S. albus J1074/R2 verdreifachte die Pamamycin-Produktion auf bis zu 50 mg L-1, ergab ein spezifisches Spektrum der Derivate und reduzierte deutlich die Pelletgröße. Systembiologische Analysen offenbarten die Ursache der Produktverschiebung sowie eine global umprogrammierte Genexpression. Addition von Talk zu S. lividans TK24 DG2-Km-P41hyg+, führte zu einer beschleunigten Morphogenese und zu einer gesteigerten Produktion von 109 mg L-1 Bottromycin A2, indem es die Clusterexpression neu ausbalancierte. Abschließend miniaturisierten wir das Setup und untersuchten die Produktion von zwölf Naturstoffen aus verschiedenen Actinobacteria-Gattungen. In 75% der untersuchten Fälle förderte die Zufuhr von Talk die Bildung des Naturprodukts und war sogar entscheidend für die Produktion von Teicoplanin. Aufgrund seiner Effektivität und Einfachheit erscheint Morphologie-Engineering von Actinobacteria mittels Talk-Mikropartikeln als vielversprechender Ansatz für zukünftige Anwendungen.