Beiträge zur Biosynthese der antiparasitären Naturstoffe Hormaomycin und Borrelidin sowie Strukturaufklärung von Sekundärmetaboliten aus Actinomyceten
Studies towards the biosynthesis of the antiparasitic agents hormaomycin and borrelidin and structure elucidation of secondary metabolites from actinomycetes
by Markus Radzom
Date of Examination:2006-07-05
Date of issue:2006-11-29
Advisor:Prof. Dr. Axel Zeeck
Referee:Prof. Dr. Axel Zeeck
Referee:Prof. Dr. Armin de Meijere
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
The core of the present thesis deals with studies of the natural products hormaomycin and borrelidin. Furthermore the isolation and structure elucidation of secondary metabolites from actinomycetes via chemical and HPLC-DAD screening is described.Precursor directed biosynthesis with the producer of the peptide lactone hormaomycin leads to the production of 17 new hormaomycin derivatives with variations in different parts of the molecule. The yield of the natural product can be increased up to 300 % by feeding of 2-pyrrolecarboxylic acid. These results provide new insight into the formation of the unique 3-(2'-nitrocyclopropyl)alanine building blocks, furthermore biosynthetic studies of the NRPS gene cluster are presented. All new analogues show remarkable activities against P. falciparum and L. donovanii in nanomolar range by concomitant low cytotoxicity. Structure-activity relationships are derived. Hormaomycin D2 is inhibiting the growth of C. albicans, no antimycotic acitivity is observed for any other derivative. NMR measurements and crystallisation for an X-ray structure are possible with highly pure hormaomycin and show highly solvent dependent conformations of the peptide lactone.The screening approaches lead to the isolation of 11 substances from actinomycetes of marine and terrestrial origin. Hereof, the polyketide fogacin is the only new metabolite. Besides, SEK4b and anhydroSEK4b are isolated from a wild type strain for the first time.The biosynthesis of borrelidin postulated by Leadlay and coworkers is confirmed for the ring structure via feeding experiments with 13C-labelled precursors. On the other hand, the mechanism for trans-cyclopentane-(1R,2R)-dicarboxylic acid formation appears to be wrong or at least incomplete.
Keywords: natural products; hormaomycin; borrelidin; antibiotics; malaria; precursor directed biosynthesis; NRPS; screening; secondary metabolites; peptides; polyketides
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Im Mittelpunkt der Dissertation stehen Untersuchungen der Naturstoffe Hormaomycin und Borrelidin, zudem werden die Isolierung und Strukturaufklärung von Sekundärmetaboliten aus Actinomyceten durch chemisches und HPLC-DAD-Screening beschrieben.Die Vorläufer-dirigierte Biosynthese mit Hilfe des Produzenten des Peptidlactons Hormaomycin führt zu 17 neuen Derivaten des Naturstoffs mit Variationen in unterschiedlichen Molekülabschnitten, weiterhin kann die Produktion des Naturstoffs durch Fütterung von 2-Pyrrolcarbonsäure um bis zu 300 % gesteigert werden. Durch die gewonnenen Derivate sind neue Aussagen zur Biosynthese der ungewöhnlichen 3-(2'-Nitrocyclopropyl)alanin-Einheiten möglich, weiterhin werden Untersuchungen zum NRPS-Gencluster vorgestellt. Die neuen Analoga zeigen gegen P. falciparum und L. donovanii Aktivitäten im nanomolaren Bereich bei geringer Cytotoxizität. Struktur-Wirkungsbeziehungen lassen sich ableiten. Hormaomycin D2 hemmt als einziges Derivat das Wachstum von C. albicans. Die Gewinnung hochreinen Hormaomycins erlaubt Bestimmungen der stark lösungsmittelabhängigen Konformation des Peptidlactons durch NMR-Messungen sowie die Kristallisation für eine Röntgenstruktur.Im Rahmen der Screeningansätze konnten aus zwei marinen sowie zwei terrestrischen Actinomyceten insgesamt 11 Sekundärmetaboliten isoliert werden, von denen nur das Fogacin neu war. SEK4b und anhydroSEK4b wurden erstmals aus Wildstämmen isoliert.Die von Leadlay et al. postulierte Biosynthese des Borrelidins kann durch Fütterungsexperimente mit isotopenmarkierten Substanzen für den Makrolidring bestätigt werden, der Mechanismus für die Bildung der trans-(1R,2R)-Cyclopentandicarbonsäure hingegen erweist sich als falsch oder unvollständig.
Schlagwörter: Naturstoffe; Hormaomycin; Borrelidin; Antibiotika; Malaria; Vorläufer-dirigierte Biosynthese; NRPS; Screening; Sekundärmetaboliten; Peptide; Polyketide