In cyclodipeptid-relevanten biosynthetischen Genclustern verborgene neuartige Metabolite sowie von Cytochrom P450 Enzymen katalysierte faszinierende Reaktionen

• Antragsteller: Professor Dr. Shu-Ming Li
• Fachliche Zuordnung: Pharmazie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 444837129

Naturstoffe aus Mikroorganismen, insbesondere aus Aktinobakterien, bilden wertvolle Quellen für bereits etablierte und potentielle Arzneimittel. Eine nähere Untersuchung der Bakteriengenome ergab, dass eine große Anzahl stiller Biosynthesegencluster (BGCs) für Naturstoffe vorliegt. Die Aktivierung solcher BGCs in einem geeigneten Wirt ist eine vielversprechende Strategie, um Zugang zu diesen unbekannten Naturstoffe zu erhalten und den Bedarf an neuen Arzneimitteln, insbesondere an neuartigen Antibiotika zur Bewältigung der drohenden Resistenzlage zu decken.Von Cyclodipeptiden (CDP) abgeleitete Naturstoffe haben nicht nur aufgrund ihrer interessanten biologischen und pharmakologischen Aktivitäten, sondern auch wegen ihrer biosynthetischen Enzyme zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. In Bakterien werden CDPs hauptsächlich durch Cyclodipeptidsynthasen (CDPSs) mit 200–300 Aminosäureresten biosynthetisiert. Die CDPSs sind genetisch mit einer Vielzahl von Modifikationsenzymen assoziiert, u.a. Cytochrom P450-Enzymen (P450s). Die kleinen cdps-assoziierten BGCs kodieren häufig für komplexe und faszinierende chemische Strukturen. Die P450s dieser BGCs katalysieren ungewöhnliche Reaktionen wie Aryl-Aryl-Kupplung, N-Oxidbildung sowie Kupplung vom Indolring mit Nukleobasen. Der Antragsteller hat in den letzten zwei Jahren neun solcher BGCs erfolgreich identifiziert. Es ist davon auszugehen, dass weitere neue Naturstoffe und faszinierende P450s auf unbekannten cdps-assoziierten BGCs codiert sind.Das Hauptziel dieses Antrages besteht darin, neue Metabolite zu finden, die in den cdps- und P450-assoziierten BGCs verborgen sind, und neue Cytochrom-p450-Enzyme zu identifizieren, die spannende Modifikationen von CDPs und deren Derivaten katalysieren. 15 potentielle BGCs werden untersucht, die mindestens ein CDPS- und ein P450-Gen aus verschiedenen Zweigen eines phylogenetischen Baums enthalten, bei dessen Konstruktion 291 bakterielle P450s berücksichtigt wurden.Um die geringe oder fehlende Genexpression in den nativen Stämmen und deren schwierige genetische Manipulierbarkeit zu überwinden, werden wir die originalen oder modifizierten BGCs in dem genetisch etablierten Streptomyces coelicolor exprimieren. Die neu gebildeten Naturstoffe werden durch spektroskopische Methoden identifiziert. Der anschließende Nachweis der identifizierten Metabolite in den ursprünglichen Stämmen kann Hinweise auf das Expressionsniveau der BGCs geben. Fütterung dieser Produkte in den Ausgangstamm und die Untersuchung ihres Metabolismus liefern den Beweis für die Vollständigkeit der BGCs. Die neu erhaltenen Produkte werden diversen biologischen Tests unterzogen. Die Expression verschiedener Genkombinationen der BGCs und die Identifizierung der Metabolite dienen der Aufklärung der Biosynthesewege. Die Schlüsselenzyme P450s werden in E. coli oder S. coelicolor überproduziert. In-vitro Assays der P450s liefern wichtige Einblicke in die katalytischen Aktivitäten dieser faszinierenden Enzyme.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen