New natural products from Actinobacteria : potential and constraints of heterologous expression in Streptomyces hosts

Abstract

Naturstoffe finden breite Anwendung als Antiinfektiva oder Krebstherapeutika. Eine reiche Quelle für solche Naturstoffe sind Bakterien aus der Ordnung Actinomycetales. Weit verbreitete Arzneistoffe, wie zum Beispiel Erythromycin oder Tetracyclin, wurden aus Actinomyceten isoliert. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entdeckung von drei neuen Naturstoffen aus Actinomyceten. Die neuen Moleküle Loseolamycin, Dudomycin und Bonsecamin wurden mittels Expression von Genen in einem Heterologen Wirt entdeckt. Die Beispiele in dieser Arbeit zeigen deutlich die Vorteile wie auch die Schranken dieser Technik für die Entdeckung neuer Moleküle auf. Neben der Darlegung der Entdeckung und Aufreinigung der Moleküle wird in dieser Arbeit auch die Anwendung von Methoden wie Massenspektrometrie zur Molekülcharakterisierung beschrieben. Gendeletionen sowie die Nutzung von individuellen Kulturmedien halfen, die Biosynthese von Loseolamycin, Dudomycin und Bonsecamin in den jeweiligen Actinomyceten aufzuklären. Des Weiteren wurden Bioaktivitätstests durchgeführt, um mögliche Anwendungen der neuen Moleküle in Medizin oder der Landwirtschaft zu erforschen. Diese Experimente lieferten vielversprechende Ergebnisse für eine der neuen Substanzen.

Natural products (NPs) are widely used as anti-infective or anticancer drugs. A prolific source for new natural products are bacteria of the biological order of actinomycetales. As a matter of fact, numerous well-established drugs such as erythromycin or tetracycline are actinomycete products. The present thesis describes the discovery of three new natural products from actinomycetes. The novel molecules loseolamycin, dudomycin and bonsecamin were discovered using the approach of gene cluster expression in a heterologous host. The examples in this work clearly show the advantages as well as the boundaries of heterologous expression in the discovery of new natural products. Besides the molecules’ discovery and isolation, this work describes the use of methods such as high resolution mass spectrometry to characterize the new NPs. Gene deletion experiments as well as the cultivation in customized media helped to elucidate the biosynthesis of the new molecules in the actinomycetes. Further, bioactivity tests were also performed to explore potential applications of loseolamycin, dudomycin and bonsecamin in medicine or agriculture and led to interesting results in one case.