Genomics-Driven Investigation of Three Classes of Bioactive Secondary Metabolites from Burkholderia Species

Abstract

Burkholderia sensu lato Stämme haben sich in der letzten Dekade als eine vielversprechende Quelle für Naturstoffe erwiesen. Diese weisen eine hohe strukturelle Diversität und hervorragende biologische Aktivitäten auf. Die chemisch-biologische Charakterisierung von Sekundärmetaboliten trug entweder zum besseren Verständnis der ökologischen Zusammenhänge und Virulenz-Mechanismen bei oder führte zur Entdeckung von pharmazeutisch-verwertbaren Leitstrukturen. Die jüngsten Genomanalysen kommen zu dem gleichen Schluss und bestätigen, dass diese Stämme zur Gruppe der talentierten Produzenten gehört und dass es immer noch zahlreiche chemische Verbindungen zu entdecken gibt. Angesichts dieses hohen Potentials, wurde in der vorliegenden Arbeit der Schwerpunkt auf das Screening nach bzw. die Isolation und Charakterisierung von neuen und biologisch aktiven Naturstoffen von Burkholderia sensu lato Stämmen gelegt. Das erste Projekt hatte den pflanzenpathogenen Stamm Trinickia caryophylli DSM 50341 zum Gegenstand, der einen neuartigen Siderophor sekretierte. Nach erfolgter hochskalierter Fermentation und chromatographischer Aufreinigung wurde der Siderophor Trinickiabactin entdeckt. Die Analyse des Gesamt-Genoms erlaubte zudem die Identifikation des biosynthetischen Genclusters. Das Grundgerüst enthält ein seltenes Diazeniumdiolat-Liganden System und wurde mittels einer Kombination von NMR und MS-Spektroskopie sowie bioinformatischen Methoden aufgeklärt. Des Weiteren fiel in Bioassays auf, dass Trinickiabactin eine antibakterielle Wirkung gegenüber Gram-negativen Bakterien besitzt (MHKs variierten je nach Organismus zwischen 0.004 und 0.04 mM). Das zweite Projekt drehte sich um die Untersuchung von Proteasom-Inhibitoren, die von dem Bakterium Burkholderia oklahomensis DSM 21774 generiert wurden. Ein OSMAC-basierter Screening-Ansatz führte hierbei zur Identifikation einer neuen Substanzklasse, die nicht derepliziert werden konnte. Eine weitere bioinformatische Analyse ergab Hinweise, dass die gesuchten Verbindungen der Syrbactin-Gruppe zuzuordnen sind. Dies führte zur erfolgreichen Isolation und Strukturaufklärung von vier neuartigen Syrbactinen, die Hybridobactine A-D genannt wurden, da die Verbindungen Rekombinationen von Strukturfragmenten von bekannten Syrbactinen darstellen. Die absolute Konfiguration der Verbindungen wurde durch die kombinierte Anwendung von Bioinformatik, chiraler LC/MS und der Marfey-Methode erarbeitet. In Proteasom-Inhibitions-Assays zeigten die Substanzen eine potente Wirkung, insbesondere Hybridobactin D, welches nahezu die gleiche Wirkstärke wie die etablierten Standard-Substanz Epoxomicin aufwies. Da letzte Projekt hatte die Isolation eines neuen Acybolin-Derivates zum Ziel, die der Gruppe der zytotoxischen Bactoboline zuzuordnen sind. Die Hochskalierung des Fermentations-prozesses ermöglichte dann die Isolation und Aufreinigung des neuen Derivats Acybolin J, zusammen mit zahlreichen bekannten Bactobolinen. Die Strukturaufklärung gelang durch die Anwendung von umfangreichen 1D- und 2D Experimenten. Das Ergebnis bereichert die Diversität der Substanzgruppe und die vergleichende Analyse des zugehörigen Genclusters wirft zahlreiche weiterführende biosynthetische Fragestellungen auf.