biosynthesis of the Avionins, a new class of lantibiotics
Final Report Abstract
Das vorliegende Projekt hatte zum Ziel, die Biosynthese der Lipolanthine als neuer RiPP-Klasse aufzuklären, die sehr starke antibakterielle Aktivitäten gegen verschiedene klinisch relevante Gram-positive Staphylococcus aureus-Stämme zeigten. Durch Genexpression der Gene der Kinase-Cyclase MicKC zusammen mit der Cysteindecarboxylase MicD konnten zentrale Schritte der Biosynthese des Avionins rekonstituiert werden. Zudem wurde der Kofaktorbedarf geklärt. Mittels bioinformatischer Analyse wurden weitere, dem Microvionin verwandte fünf Subtypen gefunden und die Verbreitung dieser verwandten Gencluster erwies sich als größer, als ursprünglich angenommen. Aus den bioinformatischen Analysen geht weiter hervor, dass nach unserem Kenntnisstand die Lipolanthine der erste Fall unter den Sekundärstoffen sind, bei dem die Fettsäurebiosynthese (FS) bzw. die Polyketidbiosynthese (PKS) mit der ribosomalen Biosynthese (RiPPs) gekoppelt ist. Andere Kopplungen zweier Biosynthesen, z.B. PKS mit der Nicht-ribosomalen Biosynthese (NRPS) am Beispiel der Lipopeptidantibiotika wie Surfactin, wurden schon viel früher beschrieben. Interessant ist auch die Konserviertheit des ursprünglich bei den Labyrinthopeptinen gefundenen Ser/Ser/Cys-Motivs, das aber ebenfalls gemäß bioinformatischer Analyse, zwischen diesem Motiv eine große Aminosäurendiversität zulässt. Das Projekt entwickelte sich dahingehend weiter, dass mit NMR-spektroskopischen Methoden die Peptiderkennung durch die modifizierenden Enzyme MicKC und MicD untersucht wurde. Hierbei wurde ein Θ1xxΘ2xxΘ3-Motiv im Leaderpeptid identifiziert, das für die Erkennung durch prozessierende Enzyme essentiell ist. Erstmals wurde für RiPPs unter physiologischen Bedingungen die Bildung einer α-Helix im Leaderpeptid verschiedener Lipolanthine tatsächlich experimentell nachgewiesen. Frühere Arbeiten hatten die Bildung einer Helix bei RiPPs zwar postuliert, die experimentellen Untersuchungen erfolgten aber unter unphysiologisch, Helixbegünstigenden Bedingungen, oder waren der Bildung von Faltblattstrukturen zuzurechnen. Wir postulieren weiterhin, dass die Stabilität der Helix die spezifische Erkennung durch dsa zugehörige modifizierende Enzym maßgeblich mitsteuert. Für die proteolytische Prozessierung postulieren wir, entgegen dem Bericht anderer Gruppen, dass für die Erkennung durch die Protease nur eine Aminosäure mit saurer Seitenkette notwendig ist, also kein spezielles, konserviertes Motiv existiert. Abschließend konnte ein Modell der Biosynthese aufgestellt werden, dass die Beobachtungen bei der Prozessierung der Lipolanthine beschreibt. Nach Auslaufen der Förderung des Projekts durch die DFG wird aus Eigenmitteln die Biosynthese der Lipolanthine weiter untersucht. Dies betrifft insbesondere Arbeiten zum Biosynthesemechanismus und zur Wirkmechanismus (mode-of-action).
Publications
- "The anti-staphylococcal lipolanthines are ribosomally synthesized lipopeptides." Nat. Chem. Biol. 2018, 14, 652-654
Wiebach, V., Mainz, A., Siegert, M.-A.J., Jungmann, N.A., Lesquame, G., Tirat, S., Dreux-Zigha, A., Aszodi, J., Le Beller, D., Süssmuth, R.D.
(See online at https://doi.org/10.1038/s41589-018-0068-6) - An amphipathic alpha‐helix guides maturation of the ribosomally‐ synthesized lipolanthines. Angew. Chemie Int. Ed. 2020, 59, 16777-16785
V. Wiebach, A. Mainz, R. Schnegotzki, M.-A. J. Siegert, M. Hügelland, N. Pliszka, R. Süssmuth
(See online at https://doi.org/10.1002/anie.202003804)
