Biomimetische Synthese von glykosylierten Makrolactamen, die Aufklärung und Manipulation des Biosynthesewegs sowie Studien zu Struktur-Aktivitätsbeziehungen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Christine Beemelmanns
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391056593

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Mit der weltweiten Verbreitung multiresistenter pathogener Bakterienstämme, wie Methicillinresistenter Staphylococcus aureus (MRSA) und Vancomycin-resistenter Enterokokken (VRE), steigt die Nachfrage nach neuen Antibiotikaklassen aus natürlichen Quellen wieder stetig an. Die Genom- und Metabolom-getriebene Analyse mikrobieller Symbionten liefert nicht nur ein tieferes Verständnis der Evolution symbiotischer Systeme, sondern auch tiefere Einblicke in die Vielfalt von Biosynthesewegen und ermöglicht neue Zugänge zu Naturstoffen. Dieses Projekt zielte darauf ab, bakterielle Symbionten von Termiten zu untersuchen, mit einem besonderen Schwerpunkt auf jene Isolate, die in der Lage sind, antibiotische Makrolactame zu produzieren. Dafür wurden neuste DNA-Sequenzierungstechnologien angewendet, welche einen vergleichenden Genom-Mining-basierenden Ansatz ermöglichte, so dass das Sekundärmetaboliten-Repertoire und die Vielfalt der Biosynthesewege, die die Produktion von Makrolactamen codieren. Im Rahmen dieser Studie konnten wir den ursprünglich vorgeschlagenen Biosyntheseweg von Makrotermycinen, die von Amycolatopsis sp. produziert werden, revidieren. M39 basierend auf neu erworbenen Genomsequenzierungsdaten und identifizierte einen neuen Makrolactam-Weg (pac, asa) in einem neuen Isolat aus dem Genus Amycolatopsis. Nach dem verschiedene Klonierungsmethoden getesten wurde, konnte ein dualer Promotorvektor verwendet werden, um ein heterologes Produktionssystem in einem Streptomyceten-Wirt aufzubauen, was es uns nun ermöglicht, den Biosyntheseweg zu studieren. Basierend auf diesen Studien konnten wir den Biosyntheseweg von Ciromycin verifizieren. Bakterien-Pilz Ko-Kulturen wurden zudem untersucht, um die Transkription von Makrolactam-Biosynthese-Gencluster in Wildtypen zu stimulieren, und anhand von Wachstumsstudien waren in wir der Lage, vier Macrotermycin-Derivate aus dem Stamm M39 und Ciromycin A aus dem Stamm Amycolatopsis sp. PS_44_ISF1 zu isolieren. Unterdessen synthetisierten unsere Mitarbeiter (ANR) Schlüsselfragmente für die Macrotermycin-Kernstruktur, die in Zukunft bei der Totalsynthese und absoluten Strukturverifikation von Macrotermycinen helfen werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Actinomadura rubteroloni sp. nov. and Actinomadura macrotermitis sp. nov., isolated from the gut of the fungus growing-termite Macrotermes natalensis. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 70(10), 5255-5262.
  Benndorf, René; Martin, Karin; Küfner, Michelle; de Beer, Z. Wilhelm; Vollmers, John; Kaster, Anne-Kristin & Beemelmanns, Christine
  
• Nocardia macrotermitis sp. nov. and Nocardia aurantia sp. nov., isolated from the gut of the fungus-growing termite Macrotermes natalensis. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 70(10), 5226-5234.
  Benndorf, René; Schwitalla, Jan W.; Martin, Karin; de Beer, Z. Wilhelm; Vollmers, John; Kaster, Anne-Kristin; Poulsen, Michael & Beemelmanns, Christine
  
• Polyhalogenation of Isoflavonoids by the Termite-Associated Actinomadura sp. RB99. Journal of Natural Products, 83(10), 3102-3110.
  Rak, Lee Seoung; Schalk, Felix; Schwitalla, Jan W.; Benndorf, René; Vollmers, John; Kaster, Anne-Kristin; de Beer, Z. Wilhelm; Park, Minji; Ahn, Mi-Jeong; Jung, Won Hee; Beemelmanns, Christine & Kim, Ki Hyun
  
• Stereoselective Construction of (E,Z)‐1,3‐Dienes and Its Application in Natural Product Synthesis. Advanced Synthesis & Catalysis, 362(24), 5532-5575.
  Hubert, Pierre; Seibel, Elena; Beemelmanns, Christine; de Campagne, Jean‐Marc & Figueiredo, Renata Marcia
  
• Streptomyces smaragdinus sp. nov., isolated from the gut of the fungus growing-termite Macrotermes natalensis. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 70(11), 5806-5811.
  Schwitalla, Jan W.; Benndorf, René; Martin, Karin; Vollmers, John; Kaster, Anne-Kristin; de Beer, Z. Wilhelm; Poulsen, Michael & Beemelmanns, Christine
  
• Targeted Discovery of Tetrapeptides and Cyclic Polyketide‐Peptide Hybrids from a Fungal Antagonist of Farming Termites. ChemBioChem, 21(20), 2991-2996.
  Schalk, Felix; Um, Soohyun; Guo, Huijuan; Kreuzenbeck, Nina B.; Görls, Helmar; de Beer, Z. Wilhelm & Beemelmanns, Christine
  
• Comparative Genomics Reveals Prophylactic and Catabolic Capabilities of Actinobacteria within the Fungus-Farming Termite Symbiosis. mSphere, 6(2).
  Murphy, Robert; Benndorf, René; de Beer, Z. Wilhelm; Vollmers, John; Kaster, Anne-Kristin; Beemelmanns, Christine & Poulsen, Michael
  
• Female‐biased sex allocation and lack of inbreeding avoidance in Cubitermes termites. Ecology and Evolution, 11(10), 5598-5605.
  Sinotte, Veronica M.; Conlon, Benjamin H.; Seibel, Elena; Schwitalla, Jan W.; de Beer, Z. Wilhelm; Poulsen, Michael & Bos, Nick
  
• Targeted Isolation of Saalfelduracin B–D from Amycolatopsis saalfeldensis Using LC-MS/MS-Based Molecular Networking. Journal of Natural Products, 84(4), 1002-1011.
  Um, Soohyun; Seibel, Elena; Schalk, Felix; Balluff, Sven & Beemelmanns, Christine
  
• Comparative Genomic and Metabolomic Analysis of Termitomyces Species Provides Insights into the Terpenome of the Fungal Cultivar and the Characteristic Odor of the Fungus Garden of Macrotermes natalensis Termites. mSystems, 7(1).
  Kreuzenbeck, Nina B.; Seibel, Elena; Schwitalla, Jan W.; Fricke, Janis; Conlon, Benjamin H.; Schmidt, Suzanne; Hammerbacher, Almuth; Köllner, Tobias G.; Poulsen, Michael; Hoffmeister, Dirk & Beemelmanns, Christine
  
• Insights into the Metabolomic Capacity of Podaxis and Isolation of Podaxisterols A–D, Ergosterol Derivatives Carrying Nitrosyl Cyanide-Derived Modifications. Journal of Natural Products, 85(9), 2159-2167.
  Guo, Huijuan; Daniel, Jan-Martin; Seibel, Elena; Burkhardt, Immo; Conlon, Benjamin H.; Görls, Helmar; Vassão, Daniel Giddings; Dickschat, Jeroen S.; Poulsen, Michael & Beemelmanns, Christine
  
• Adaptations of Pseudoxylaria towards a comb-associated lifestyle in fungus-farming termite colonies. The ISME Journal, 17(5), 733-747.
  Fricke, Janis; Schalk, Felix; Kreuzenbeck, Nina B.; Seibel, Elena; Hoffmann, Judith; Dittmann, Georg; Conlon, Benjamin H.; Guo, Huijuan; Wilhelm, de Beer Z.; Vassão, Daniel Giddings; Gleixner, Gerd; Poulsen, Michael & Beemelmanns, Christine