Genome-driven Search of Natural Products from Gram-negative bacteria

Abstract

Gram-negative Bakterien stellen eine wertvolle Quelle für neuartige und biologisch aktive Naturstoffe dar. Einige Naturstoffe wurden bereits translational zu einem zugelassenen Medikament weiterentwickelt. Als erfolgreiche Beispiele sind hier die Krebsmedikamente Epothilon und Trabectedin oder das topische Antibiotikum Mupirocin anzuführen. Die zahlreichen Genom-Sequenzierungen der letzten zwei Dekaden unterstützen den bisherigen Eindruck und legen den Schluss nahe, dass Gram-negative Bakterien ein noch viel größeres Potential aufweisen, Naturstoffe zu produzieren, als bisher angenommen wurde. Basierend auf diesem Wissen wurden bereits zahlreiche neue und diverse Naturstoffe aus weitverbreiteten und bekannten Gram-negativen Bakterien isoliert, z.B. der Gattung Pseudomonas und Burkholderia oder Myxobakterien. Angesichts des gegebenen Potentials fokussierte sich diese Doktorarbeit daher auf die chemische Erforschung von Sekundärmetaboliten von Gram-negativen Bakterien aus seltenen bzw. weniger bekannten Gattungen, die bislang nur unzureichend chemisch untersucht wurden. Die Genom-Analyse, unterstützt von einem chemischen Screening von sechs Massilia spp. ergab, dass eine der untersuchten Spezies, Massilia albidiflava, höchstwahrscheinlich einen neuen Sekundärmetaboliten produziert. Nach Hochskalierung des Fermentationsansatzes und chromatographischer Aufreinigung konnte der neue Naturstoff Massiliamide – ein zyklisches Peptid - gewonnen werden. Die planare Struktur wurde mittels NMR gelöst, wohingegen die absolute Konfiguration der Aminosäuren mittels der Marfey-LC-MS-Methode bestimmt wurde. Hinsichtlich der Bioaktivität, zeigte Massiliamide keine Zytotoxizität, jedoch eine starke Tyrosinase-Hemmung (IC50: 1.15). Des Weiteren fiel während der komparativen Genom-Analysen auf, dass nahezu alle untersuchten Bakterien der Gattungen Massilia und Telluria ein Acyl-Homoserin-Lacton (AHL)-Biosynthesegencluster aufwiesen, welches nahelegte, dass Prozesse Quorum- Sensing-geregelt vonstatten gehen. Daher wurde, erstmals in diesen Gattungen, systematisch die Konzentration von AHLs zeit-aufgelöst bestimmt. Anschließend wurde in zahlreichen Bioassays die physiologische Rolle der AHLs aufgespürt. Diese ergaben, dass AHLs die Motilität und die Biofilmbildung beeinflussen. Zusätzlich zeigte sich, dass die AHL-Produktion hingegen mit Gattungs-fremden Fettsäuren gehemmt werden kann.