Harnessing the diversity of ATP grasp-type depsipeptide biosyntheses in cyanobacteria: genomic mining and engineering
Pharmacy
Final Report Abstract
Microviridine sind trizyklische Depsipeptide aus Cyanobakterien, deren komplexe Struktur durch die Aktivität von zwei ATP-grasp-Ligasen entsteht. Die Peptide zeigen eine spezifische Inhibition von Serinproteasen, die bei Daphnien, den natürlichen Fraßfeinden der cyanobakteriellen Produzenten, zu einer letzendlich tödlichen Hemmung des Häutungsprozesses führen kann. Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass die die beteiligten ATPgrasp-Ligasen die 12-14 Aminosäure langen core-Peptide in einer strikten Reihenfolge verknüpfen und auch keine Variationen der Ringgrößen tolerieren. Ziel des Projektes war es, die natürliche Diversität der in mirobiellen Genomen kodierten Microviridin-ähnlichen Peptide zu nutzen, um Microviridine mit alternativen Ringgrößen und optimierten Bioaktitäten zu generieren. Im Rahmen des Projektes konnte eine effiziente chemoenzymatische Methode zur Herstellung von Microviridinen etabliert werden, die eine Produktion von Microviridinen mit Hilfe von kostengünstigen kurzkettigen Core-Peptiden und den drei beteiligten posttranslational modifizierenden Enzymen ermöglicht. Die Methode basiert auf einer Verknüpfung der essentiellen leader-Peptide an die modifizierenden Enzyme, die diese konstitutiv aktiviert. Mit Hilfe dieser Methode konnten Microviridine, die bislang nur bioinformatisch in Genomen vorhergesagt wurden, effizient ohne Kultivierung hergestellt werden. Versuche, diese Methode auch auf Peptide mit vorhergesagten alternativen Ringgrößen anzuwenden, lieferten jedoch nur sehr geringe Mengen an Produkten, die die weitere Charakterisierung erschweren. Um auch solche alternativen Microviridine in die neu etablierten Plattformen zur Herstellung von Bibliotheken aufzunehmen ist daher eine weitere Optimierung notwendig. Wir konnten außerdem eine Screening-Methode für synthetische Bibliotheken von Microviridinen etablieren und durch das Screening umfangreicher Bibliotheken neue Struktur-Funktionsbeziehungen für die Proteasen Trypsin und Subtilisin ableiten. Im Rahmen des Projektes konnten wir auch die bislang aktivste Variante gegenüber Trypsin aus dem bislang nicht kultivierten Cyanobakterienstamm Cyanothece PCC7822 herstellen. Die von uns neu entwickelte Syntheseplattform erlaubt auch den Einbau nichtproteinogener Aminosäuren und eröffnet daher umfangreiche Möglichkeiten für eine weitere Funktionalisierung von Microviridinen. Mit dem vorliegenden Projekt konnten wir damit das Potential von Microviridin für kommerzielle Anwendungen wesentlich verbessern.
Publications
- Leaderpeptide free in vitro reconstitution of microviridin biosynthesis enables the design of synthetic protease targeted libraries. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 9398-9401
Reyna-González, E., Schmid, B., Petras, D., Süssmuth, R.D. and E. Dittmann
(See online at https://doi.org/10.1002/ange.201604345) - (2017) Phylogenomic analysis of the microviridin biosynthetic pathway coupled with targeted chemoenzymatic synthesis yields potent protease inhibitors. ACS Chem. Biol. 12: 1538-1546
Ahmed, M.N., Reyna-González, E., Schmid, B., Wiebach, V., Suessmuth, R.D., Dittmann, E., Fewer, D.
(See online at https://doi.org/10.1021/acschembio.7b00124)
