Investigations of the mode of action of feglymycin on the bacterial cell wall biosynthesis
Final Report Abstract
Feglymycin, ein lineares Tridecapeptid, welches zum Großteil aus nicht-proteinogenen Aminosäuren besteht, zeigt eine vielversprechende antibaketrielle sowie antivirale Wirkung. Diese Eigenschaften machen es zu einem interessanten Forschungsobjekt, welches innerhalb dieses Forschungsantrages genauer untersucht werden sollte. Im Vordergrund stand dabei die Aufklärung des Wirkmechanismus sowie das Einschätzen von Feglymycin als potentielle Leitstruktur für Wirkstoffe. Von biologischer Seite her wurde zunächst die genaue Bestimmung des Fegylymycin-Biosyntheseclusters durchgeführt. Die so identifizierten 19 Gene codieren sowohl alle Enzyme für die Biosynthese der beiden nichtproteinogenen Aminosäuren Hpg und Dpg, welche allein an neun Positionen des Tridecapeptides zu finden sind, als auch für die drei NRPS, welche Feglymycin colinear synthetisieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde auch versucht mittels einer Hpg-Mutante Feglymycin-Derivate in vivo zu produzieren, was jedoch nicht gelang. Einen ersten Hinweis auf den Wirkmechanismus ergab ein Alanin-Scan des gesamten Feglymycin-Moleküls. Mit den so erzeugten Derivaten konnten Bioaktivitätsassays durchgeführt werden, deren Ergebnisse der Aminosäure Phe13 eine besonders wichtige Rolle zuschreiben, sowohl für die antivirale Aktivität gegenüber dem HI-Virus als auch als Inhibitor von MurA und MurC. Hingegen haben Dpg1, Hpg5 und Hpg12 einen beträchtlichen Einfluss auf die antibakterielle Aktivität. Diese Resultate weisen auf verschiedene Wirkungszentren von Feglymycin und legen den Fokus gleichzeitig auf die Struktur des Moleküls. Durch vorangegagene Arbeiten war bereits bekannt, dass Feglymycin im Kristall eine β-Helix ausbildet. Wir konnten über NMR-Experimente bestätigen, dass dies auch in Lösung der Fall ist. Um einen genaueren Einblick in den Wirkmechanismus von Feglymycin zu bekommen, sollten weitere Feglymycin Analoga synthetisiert werden. Die Synthese der Retro- und Retro-Inverso-Peptide war von extremen Schwierigkeiten bei den Kupplungsreaktionen begleitet. Dies war in dieser Form nicht vorhersehbar und zögerte die Syntheseversuche extrem in die Länge, da mehrere Versuche unternommen wurden um die gesteckten Ziele zu erreichen. Ähnliches ereignete sich bei den markierten Feglymycin-Derivaten. Der Grund dafür könnte in der schon oben erwähnten Sekundärstruktur des Feglymycin liegen. Sollten sich diese Strukturen bereits während der Synthese ausbilden, könnten weitere Reaktionen dadurch geblockt werden. Durch die gescheiterten Synthesen, konnten weder die anschließend geplanten Experimente zur Untersuchung der biologischen Aktivität von Retro- und Retroinverso Feglymycin durchgeführt werden, noch die markierten Feglymycin Analoga genutzt werden, um die Interaktion zwischen Feglymycin und bakteriellen Targets zu untersuchen. Auch die Kristallisationstudien eines Feglymycin-MurC Komplexes erbrachten keine verwertbaren Ergebnisse. Es muss gesagt werden, dass das Projekt leider nicht so erfolgreich war, wie es die Totalsyntheseexperimente und die Vorarbeiten versprochen hatten. Auch war es bisher nicht erklärlich, warum die letzte Kupplung zu 13-mer Peptid nicht erfolgreich war. Dennoch werden wir, unabhängig von einer Förderung des Projekts durch Mittel Dritter, weiter die Charakterisierung des Feglymycins verfolgen.
Publications
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„Alanine Scan of the peptide antibiotic feglymycin: Assessment of amino acid side chains contributing to antimicrobial activity“ ChemBioChem 2013, 14, 625-632
Hänchen A, Rausch S, Landmann B, Toti L, Nusser A and Süssmuth RD
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“Biosynthesis of the peptide antibiotic feglymycin by a linear nonribosomal peptide synthetase mechanism” ChemBioChem 2015, 16, 2610-2614
Gonsior M, Mühlenweg A, Tietzmann M, Rausch S, Poch A and Süssmuth RD
