A new class of terpene antibiotics from actinobacteria: Discovery, characterization, and biosynthesis

Abstract

Actinomycetes are a prolific source of structurally diverse and bioactive natural products with high pharmaceutical potential. This work describes the discovery and characterization of novel terpene antibiotics, gromomycins and darumycins. Identified through the screening of an actinomycete library and heterologously produced in Streptomyces chassis strains, gromomycins represent a new class of pentacyclic triterpenes featuring a cyclic guanidino group and exhibiting potent antimicrobial activity. The corresponding biosynthetic gene cluster was identified by transposon mutagenesis after bioinformatic analyses failed to detect it, revealing a biosynthetic pathway independent of the canonical squalene route. Gromomycins represent a new type of biosynthetic logic in secondary metabolism, utilizing a unique cyclization path based on a hexaprenylguanidine precursor. Identification, cloning and expression of related clusters uncovered new gromomycin derivatives, expanding their phylogenetic distribution. Mechanistic studies demonstrated that gromomycins disrupt bacterial membrane integrity, leading to cell lysis. Further genome mining led to the discovery of guanidine-bearing sesterterpenoids, darumycins. Targeted gene deletions combined with in vitro analyses provided important insights into their biosynthesis. Overall, these findings expand the understanding of terpene diversity and reveal new potential for antimicrobial discovery.

Actinomyceten sind eine bedeutende Quelle strukturell vielfältiger und bioaktiver Naturstoffe mit hohem pharmazeutischem Potenzial. Diese Arbeit beschreibt die Entdeckung und Charakterisierung neuartiger Terpen-Antibiotika, Gromomycins und Darumycins. Gromomycins, identifiziert durch das Screening einer Actinomyceten-Bibliothek und heterolog exprimiert in Streptomyces-Chassis-Stämmen, stellen eine neue Klasse pentazyklischer Triterpene mit zyklischer Guanidinogruppe dar und zeigen ausgeprägte antimikrobielle Aktivität. Das zugehörige Biosynthesegencluster wurde mittels Transposonmutagenese identifiziert, nachdem bioinformatische Analysen erfolglos blieben, was auf einen vom Squalenweg unabhängigen Biosyntheseweg hinweist. Gromomycins repräsentieren eine neuartige Biosyntheselogik mit einzigartiger Cyclisierungsweg über einen Hexaprenylguanidin-Präkursor. Die Identifizierung, Klonierung und Expression verwandter Cluster deckte neue Gromomycin-Derivate auf und erweiterte deren phylogenetische Verbreitung. Wirkmechanistische Untersuchungen zeigten, dass Gromomycins die bakterielle Membranintegrität stören und Zelllyse auslösen. Genomanalysen führten zudem zur Entdeckung guanidinhaltiger Sesterterpenoide, Darumycins. Zielgerichtete Gen-Deletionen und in-vitro-Analysen ermöglichten wesentliche Einblicke in deren Biosynthese. Insgesamt erweitern diese Ergebnisse das Verständnis der Terpenvielfalt und eröffnen neue Perspektiven für die Entdeckung antimikrobieller Wirkstoffe.