Structural characterization of the siderophore rhodochelin from Rhodococcus jostii RHA1 and elucidation of its biosynthetic machinery

Rhodococci represent an important genus of industrial interest, both because of their role in bioremediation and biocatalysis, as well as for their potential as producers of natural products. In this context, the genome sequencing of the biphenyl-degrading soil bacterium Rhodococcus jostii RHA1 r...

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Main Author: Bosello, Mattia
Contributors: Marahiel, Mohamed A. (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2012
Chemie
Subjects:
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Table of Contents: Bei den Rhodococci handelt es sich um ein bakterielles Genus von industrieller Relevanz, welches bei der biologischen Dekontaminierung und Biokatalyse zum Einsatz kommt und dessen Mitglieder großes Potential als Produzenten neuer Naturstoffe zeigen. In diesem Zusammenhang stellt die Genomsequenzierung des Biphenyl-abbauenden Bodenbakteriums Rhodococcus jostii RHA1 den ersten Versuch dar das biosynthetische Potential des Genus Rhodococcus auszuloten, da das Vorliegen der kompletten Genomsequenz die systematische Erforschung der Naturstoffproduktion erlaubt. Das Genom von R. jostii RHA1 enthält 23 Sekundärmetabolit-Gencluster, darunter zwei putative Siderophor- Biosynthesecluster, wobei alle als „orphan“ zu bezeichnen sind, da ihnen kein konkretes Produkt zugeordnet werden kann. In der vorliegenden Arbeit soll die Isolierung, strukturelle Charakterisierung und genetische sowie biochemische Analyse des biosynthetischen Ursprungs von Rhodochelin, dem ersten aus R. jostii RHA1 isolierten „mixed-type“ Catechol-Hydroxamat Siderophore, welches das erste charakterisierte NRPS-abhängige Naturprodukt dieses Stamms darstellt, behandelt werden. Zur Strukturaufklärung von Rhodochelin wurden sowohl MSnals auch NMR-Studien durchgeführt, welche ergaben, dass es sich um ein Tetrapeptid handelt, das eine ungewöhnliche Esterbindung zwischen einem L-δ-NFormyl- δ-N-hydroxy-Ornithinrest (L-fhOrn) und einer Threoninseitenkette enthält. Eine bioinformatische Analyse des R. jostii RHA1 Genoms zeigte, dass die für die Biosynthese verantwortlichen Gene in drei unterschiedlichen, voneinander weit entfernten NRPS-Genclustern lokalisiert sind. Durch Einzelgendeletionen in den jeweiligen Clustern, durch welche die Rhodochelinproduktion komplett aufgehoben wurde, konnte eindeutig gezeigt werden, dass die für die Rhodochelin- Biosynthese verantwortlichen Gencluster in drei unterschiedlichen Loci auf dem R. jostii RHA1 Chromosom vorliegen. Durch die biochemische Charakterisierung der Monooxygenase Rmo und der Formyltransferase Rft konnte ein Biosyntheseweg für die nicht-proteinogene Aminosäure L-fhOrn etabliert werden, welche anschließend durch die NRPS-Maschinerie in das Peptidgerüst eingebaut wird. Mit Hilfe der durch die strukturelle und funktionelle Charakterisierung von Rhodochelin, sowie der genetischen und biochemischen Analysen der verantwortlichen Biosynthese- Gencluster gewonnen Einsichten, konnte eine Biosyntheseroute für das Siderophor Rhodochelin postuliert werden. Die aus der vorliegenden Arbeit gewonnenen Erkenntnisse bezüglich des effizienten und vormals unbekannten „cross-talks“ zwischen drei weit voneinander entfernten Sekundärmetabolit-Genclustern erlauben neue Einblicke in die Organisation des bakteriellen Sekundärmetabolismus und tragen zu einem besseren Verständnis der Biosynthese von Naturstoffen bei. Des Weiteren können die gewonnenen Ergebnisse als Ausgangspunkt für eine zukünftige Isolierung neuer Naturstoffe dienen.