Naturstoffe sind eine der wichtigsten Quellen für die Entwicklung neuer Pharmazeutika. Eine Vielzahl von bioaktiven Substanzen mit potentieller Anti-Krebs, Anti-HIV oder antimikrobieller Wirkung wurde aus der Gruppe der Cyanobakterien isoliert. Die meisten dieser Metabolite sind Peptide oder besitzen peptid-ähnliche Strukturen und werden nicht-ribosomal von großen, modular aufgebauten Enzymkomplexen gebildet. Vor kurzem konnte anhand der Patellamide gezeigt werden, dass zyklische Peptide auch ribosomal hergestellt werden können. Microcystis aeruginosa NIES298 produziert eine Reihe von Sekundärmetaboliten, unter anderem die nicht-ribosomalen Peptide Microcystin und Aeruginosin. Zwei weiteren von diesem Stamm produzierten Peptiden, Microcyclamid und Microviridin B, konnten bislang noch keine Gene zugeordnet werden. In dieser Studie wurden ribosomale Biosynthesewege für beide Peptidfamilien identifiziert. Die zur Biosynthese des cytotoxischen Hexapeptids Microcyclamid notwendigen Enzyme zeigen eine hohe Ähnlichkeit zu den Patellamid-Enzymen und weisen auf ähnliche Biosynthesemechanismen hin. Ein völlig neuer Syntheseweg, in dem bis dahin unbekannte ATP-grasp-Ligasen eine Rolle spielen, konnte für den trizyklischen Proteaseinhibitor Microviridin gefunden werden. Die erfolgreiche heterologe Expression dieses Peptids in E. coli bietet die Möglichkeit Bibliotheken von Microviridin-Varianten mit neuen oder verbesserten Bioaktivitäten zu konstruieren. Die systematische Suche nach ähnlichen Biosynthesegenen in Microcystis Laborstämmen und Gewässerproben zeigte eine weite Verbreitung und eine große Diversität der untersuchten Peptidklassen in Cyanobakterien, und stellt die Frage nach der natürlichen Funktion dieser Metabolite. Um erste Hinweise zu erhalten, wurden Trankriptions- und Expressionsstudien der Biosynthesegene durchgeführt. Schließlich konnten, mit Hilfe des so genannten „genome-mining“, neue Varianten der untersuchten Peptidklassen gefunden und aufgeklärt werden. / Microbial natural products represent a major source for the development of new therapeutic agents. A diverse array of compounds is produced by cyanobacteria, a heterogenous group of aerobic photoautotrophs. A variety of bioactive metabolites with potential anti-cancer, anti-microbial and anti-HIV activities have been isolated. Most of the compounds are peptides or possess peptidic structures and are usually made by large nonribosomal assembly lines. However, a ribosomal origin has recently been demonstrated for the biosynthesis of patellamides, cytotoxic cyclic peptides produced by cyanobacterial symbionts of ascidians. Microcystis aeruginosa NIES298 produces various peptides including microcystin, aeruginosin, microviridin and microcyclamide. For the latter two classes of peptides ribosomal biosynthesis pathways could be identified in the course of this study. The cytotoxic hexapeptide microcyclamide is formed through the activity of a set of enzymes closely related to those involved in patellamide biosynthesis. The multicyclic microviridin family of protease inhibitors are synthesised from a precursor peptide by a unique pathway involving uncharted ATP-grasp type ligases as well as an N-acetyltransferase and a specialised transporter peptidase. The successful expression of microviridin B in E. coli provides a promising base for engineering novel variants. Screening of Microcystis laboratory strains and field samples revealed a wide-spread occurrence and a great natural variety for both peptide classes, raising the question of the ecological role of such small cyclic peptides. Attempting to obtain some first hints to answer that question, transcription and expression studies of biosynthetic genes were performed. Finally, this work showed that such scanning approaches could lead to the discovery of novel peptide variants and demonstrated new examples of succesful genome mining.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/16681 |
| Date | 19 November 2009 |
| Creators | Ziemert, Nadine |
| Contributors | Dittmann, Elke, Lockau, Wolfgang, Hertweck, Christian |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | Namensnennung - Keine kommerzielle Nutzung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen, http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/de/ |
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