Comprehensive mining of underexplored microbes as a potent driver for natural product discovery

Abstract

Although microbial natural products (NPs) have proven to be an important source for pharmaceutically relevant substances, the discovery of novel bioactive compounds has grown increasingly difficult. This thesis describes different strategies for the identification of new active substances and their subsequent characterization. The application of genome and metabolome mining techniques to underrepresented bacterial strains was the key success factor therein: The compound family of the thiamyxins was isolated from the Myxococcaceae strain MCy9487. It is composed of four thiazoline- and thiazole-rich peptides, two of which are linear and two cyclized derivatives. Both cyclic derivatives were determined to be promising candidates for further development due to their potent activity against RNA-viruses. Sesbanimide R is a compound with good activity against human carcinoma cells and the first NP to be isolated from magnetotactic bacteria. It was unambiguously assigned to a biosynthetic gene cluster of Magnetospirillum gryphiswaldense by targeted inactivation of the cluster and subsequent statistical filtering of the metabolome. Besides the search for hitherto undiscovered secondary metabolites, this work also presents a comparative study of cultivation conditions and analytical setups. It was shown, that variation of culture conditions and analytical setups can significantly increase the potential of discovering new secondary metabolites.

Obwohl mikrobielle Naturstoffe (NS) sich seit Jahrzehnten als wichtige Quelle für pharmazeutisch relevante Substanzen erweisen, gestaltet sich die Entdeckung neuer bioaktiver Verbindungen zunehmend als aufwändig. Die vorliegende Arbeit beschreibt verschieden Strategien zur Identifikation neuer Wirkstoffe sowie deren anschließende Charakterisierung. Die Kombination aus bisher unterrepräsentierten bakteriellen Stämmen und Genom- sowie Metabolom-Mining Techniken erwies sich dabei als Erfolgsfaktor: Die Strukturfamilie der Thiamyxine wurde aus dem Myxococcaceae Stamm MCy9487 isoliert. Sie umschließt vier thiazolin- und thiazolreiche Peptide von denen zwei offenkettige und zwei zyklische Derivate sind. Beide zyklische Verbindungen erweisen sich durch potente Aktivität gegen RNA Viren als vielversprechende Startpunkte für weitere Entwicklungen. Sesbanimid R ist der erste aus magnetotaktischen Bakterien isolierte NS und weist gute Aktivität gegen Karzinom Zelllinien auf. Diese Substanz wurde einem Biosynthesegencluster des Stammes Magnetospirillum gryphiswaldense durch gezielte Inaktivierung des Clusters und anschließendes statistisches Filtern des Metaboloms eindeutig zugeordnet. Neben der Suche nach bisher unentdeckten Sekundärmetaboliten (SM) befasst sich die vorliegende Arbeit mit einem Vergleich von Kultivierungs- und Analysetechniken. Es konnte gezeigt werden, dass Variation von Kultivierung und auch instrumenteller Analytik das Potential neue SM zu entdecken steigert.