Discovery and characterization of novel natural compounds and biosynthetic gene clusters from streptomyces

Abstract

Secondary metabolites are important in the development of new pharmaceuticals. Actinobacteria, especially the genus Streptomyces, are prolific producers of bioactive compounds. Much of their biosynthetic potential remains unexploited, as many biosynthetic gene clusters (BGCs) are not expressed under standard laboratory conditions. This dissertation aimed to discover novel natural products from Streptomyces strains and to develop strategies for the activation of previously silent gene clusters. In the first part of this work, the novel trisubstituted pyrazinones Ichizinones A-C were discovered and characterized from Streptomyces sp. LV45-129. Genome analysis and heterologous expression enabled the identification of the corresponding BGC. The results provide new insights into the biosynthesis of rare pyrazinone compounds and expand the known structural diversity of this class of natural product. Demonstrated in the second part is the crosstalk between the native mansouramycin BGC with different heterologous BGC, which led to the formation of different novel hybrid compounds. Among these is mansevorone featuring a rare 7-azochromone scaffold. These findings could contribute to the understanding of how regulatory interactions between gene cluster can contribute to the generation of new natural products. The third part focused on the new depsipeptide atrevomycin. Its biosynthesis is mediated by the coordinated action of two distinct NRPS/PKS gene clusters, likely evolved from one big ancestor BGC.

Sekundärmetabolite stellen einen wichtigen Bestandteil in der Entwicklung neuer Wirkstoffe dar. Aktinobakterien, insbesondere die Gattung Streptomyceten, sind eine reiche Quelle für neue bioaktive Stoffe. Ein Großteil ihres biosynthetischen Potenzials ist unerforscht, da viele biosynthetische Gencluster nicht unter Laborbedingungen exprimiert werden. Das Ziel dieser Arbeit war die Entdeckung neuer Naturstoffe aus Streptomyceten Stämme und die Entwicklung Strategien zur Aktivierung bisher stiller Gencluster. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden die neuartigen trisubstituierten Pyrazinone Ichizinone A-C aus Streptomyces sp. LV45-129 entdeckt und charakterisiert. Genomanalysen und heterologe Expression ermöglichte die Identifizierung des zugrundeliegenden biosynthetischen Genclusters. Die Ergebnisse geben neue Einblicke in die Biosynthese seltener Pyrazinone und erweitern die bekannte strukturelle Vielfalt dieser Naturstoffklasse. Der zweite Teil zeigt das Zusammenspiel zwischen dem nativen Mansouramycin BGC und verschiedenen heterologen BGC, was zur Formierung verschiedener Hybridstoffen führte. Teil dieser Stoffe ist Mansevorone, dass ein seltenes 7-azochromone Grundgerüst enthält. Diese Ergebnisse tragen zum Verständnis bei, wie regulatorische Interaktionen zwischen Genclustern zur Entstehung neuer Naturstoffe beitragen. Der dritten Teil fokussierte sich auf das neue Depsipeptid Atrevomycin. Dessen Biosynthese erfolgt durch das koordinierte Zusammenspiel zweier getrennter NRPS/PKS Gencluster, die vermutlich aus einem gemeinsamen, großen Vorläufer-Cluster hervorgegangen sind.