Struktur und Biosynthese von Collinolacton aus Streptomyces sp. und Beiträge zum Screening neuer Wirkstoffe
Structure and biosynthesis of collinolactone from Streptomyces sp. and contributions to the screening of new active agents
von Luise Hoffmann
Datum der mündl. Prüfung:2006-05-03
Erschienen:2006-10-16
Betreuer:PD Dr. Stephanie Grond
Gutachter:Prof. Dr. Axel Zeeck
Gutachter:Prof. Dr. Ulf Diederichsen
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http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2054
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Description:Dissertation
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Zusammenfassung
Englisch
The cyclodecatrien collinolactone is a new microbial natural product from Streptomyces sp. Gö 40/10 and represents a hitherto unknown chemical class of substances. The structure elucidation was performed with modern spectroscopic methods (1D/2D-NMR, HR-ESI-MS, IR, UV) and revealed the unique combination of a 7-10-6-cyclodecatrien structure with a hydroxyl group, an ethyl side chain, and two lactones. Collinolactone exists as a mixture of two rotamers of a double bond in the ratio of 4:1. By feeding [13C]-labelled precursors to the producing strain, fermentation under 18O2 rich atmosphere and NMR-spectroscopic analysis of the natural product the polyketide biosynthetic origin of all carbon and oxygen atoms in the collinolactone skeleton was proven. These studies suggests a biosynthetic pathway starting from the formation of a nonaketide via PKS and macrolactonization, followed by a so far unkown rearrangement of the double bonds under formation of the tricyclic skeleton, and finally introduction of one oxygen via a Baeyer-Villiger oxygenase, forming the seven-memebered lactone. Successful derivatizations resulted in seven more compounds of this new chemical class. Four ester derivatives showed an unusual action to the microtubules (mono-astral spindles), cytotoxic and cytostatic activity.The hitherto unknown biosynthesis of 1-O-benzoyl α-L-rhamnopyranoside from Streptomyces griseoviridis (Stamm Tü 3634) were analyzed successfully by methods of natural product chemistry. Feeding experiments with [1,7-13C2]shikimic acid it was clearly showed for the first time that the starter unit benzoic acid originates directly from shikimate, and therewith, the plant-like pathway via prephenate and phenylalanine could be excluded.In a research project 15 strains of extremophilic microorganisms were analyzed in a chemical screening. Three selected strains were fermented in large scales (10 50 L). Isolation and structure elucidation of the compounds led to one new and various known substances.
Keywords: streptomycetes; extremophilic microorganisms; natural products; chemical screening; secondary metabolites; biosynthesis; collinolactone; NMR; structure elucidation; polyketides; rotamers; Baeyer-Villiger monooxygenase; cyclodecatrien; mono-astral spindle; 1-O-acylrhamnopyranosides; shikimi pathway
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Das Cyclodecatrien Collinolacton ist ein neuer mikrobieller Naturstoff aus dem Stamm Streptomyces sp. Gö 40/10 und repräsentiert eine bisher nicht bekannte chemische Substanzklasse. Die Strukturaufklärung gelang mit Hilfe von spektroskopischen Methoden (1D/2D-NMR, HR-ESI-MS, IR, UV) und ergab die einzigartige Kombination einer 7-10-6 Cyclodecatrien-Struktur mit Hydroxygruppe, Ethyl-Seitenkette und zweier Lactone. Collinolacton liegt als Rotamerengemisch bezüglich einer Doppelbindung im Verhältnis von 4:1 vor. Anhand der Zufütterung [13C]-markierter Vorläufermoleküle zum Produzentenstamm, Fermentation in 18O2 angereicherter Atmosphäre und NMR-spektroskopischer Analyse des Naturstoffs wurde der polyketidbiosynthetische Ursprung aller in Collinolacton enthaltenen Kohlenstoff- und Sauerstoffatome bewiesen. Die Untersuchungen weisen auf einen Biosyntheseweg hin, auf dem ausgehend von einer PKS-Nonaketid-Kette einen Macrolactonring entsteht, der eine bisher unbekannte Umlagerung der Doppelbindungen zum tricyclischen System erfährt. Durch Oxidation einer Baeyer-Villiger Oxygenase geschieht eine Erweiterung zum interessanten 7-Ring Lacton. Erfolgreiche Derivatisierungsexperimente lieferten sieben weitere Vertreter der neuen Substanzklasse. Vier veresterte Derivate zeigen eine ungewöhnliche Wirkung auf Mikrotubuli (monoastrale Phänotyp-Bildung), cytotoxische und cytostatische Aktivität.Die bisher unbekannte Biosynthese von 1-O-Benzoyl-α-L-rhamnopyranosid aus Streptomyces griseoviridis (Stamm Tü 3634) wurde mit Methoden der Naturstoffchemie erfolgreich untersucht. Fütterung von [1,7-13C2]Shikimat konnte erstmals zeigen, dass die Startereinheit Benzoesäure direkt aus Shikimat hervorgeht. Damit wurde der bei Pflanzen übliche Biosyntheseweg über Prephenat und Phenylalanin ausgeschlossen.In einem Verbundprojekt wurden insgesamt 15 Stämme extremophiler Mikroorganismen einem chemischen Screening untersucht. Für drei ausgewählte Stämme wurden Fermentationen im großen Maßstab (10 50 L) durchgeführt. Isolierung und Strukturaufklärung der Inhaltsstoffe führte zu einer neuen und verschiedenen literaturbekannten Substanzen.
Schlagwörter: Streptomyceten; extremophile Mikroorganismen; Naturstoffe; chemisches Screening; Sekundärmetaboliten; Biosynthese; Collinolacton; NMR; Strukturaufklärung; Polyketide; Rotamere; Baeyer-Villiger-Monooxygenase; Cyclodecatrien; monoastraler Spindeltyp; 1-O-Acylrhamnopyranoside; Shikimisäure Biosyntheseweg