Genome Mining, Isolation and Characterization of Novel Lasso Peptides and Their Utilization in Drug Development

Lasso peptides are a class of natural products that belong to the family of ribosomally‑assembled and posttranslationally‑modified peptides. They are defined by an unique structural motif referred to as the so‑called lariat knot, whose name is derived from the fact that this topology is reminiscent...

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Main Author: Hegemann, Julian David
Contributors: Marahiel, Mohamed A. (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2014
Chemie
Subjects:
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Table of Contents: Lassopeptide sind eine Klasse von Naturstoffen, die der Familie der ribosomal‑synthetisierten und posttranslational‑modifizierten Peptide zugehörig sind. Sie sind gekennzeichnet durch das einzigartige Strukturmotiv des Lassoknotens, dessen Name sich von der Beobachtung ableitet, dass diese Topologie an den Knoten in einer Lassoschlinge erinnert. Diese Struktur wird durch einen N‑terminalen Makrolactamring verwirklicht, der von dem C‑terminalen Peptidschwanz durchfädelt ist. Die Faltung dieser Moleküle wird durch nicht‑kovalente Wechselwirkungen sterisch anspruchsvoller Aminosäuren, die über und unter dem Ring lokalisiert sind, aufrecht erhalten, wodurch der C‑terminale Bereich des Peptids im Inneren des Ringes fixiert wird. Was diese Verbindungen interessant für die Forschung macht ist, dass ihre Struktur trotz ihrer rein sterischen Stabilisierung oft eine außergewöhnliche Resistenz gegenüber thermischer, chemischer und proteolytischer Degradation aufweist. Dennoch ist bisher wenig über die allgemeine Funktion dieser Stoffe in der Natur bekannt, obwohl es einige zuvor beschriebene Lassopeptide gibt, für die interessante biologische Aktivitäten beobachten wurden. Um mehr Information über ihre physiko‑chemischen Eigenschaften, ihre Biosynthese und ihre mögliche Rolle in der Natur zu erhalten, war das primäre Ziel dieser Arbeit das gezielte Genome Mining und die darauffolgende Isolierung und Charakterisierung neuartiger Lassopeptide. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden in mehreren Studien publiziert, die im Verlauf dieser Doktorarbeit präsentiert und diskutiert werden sollen. Neben der Isolierung einer Vielzahl neuer Lassopeptide, konnten durch die sorgfältige Untersuchung und Charakterisierung dieser neuen Verbindungen zusätzlich einige bisher vorherrschende Vorstellungen aus diesem Forschungsgebiet widerlegt und aktualisiert werden. Ferner hat die Auswertung der Daten aus unseren Genome‑Mining‑Studien interessante Beobachtungen über das Vorkommen von Lassopeptiden in Bakterien und über die Existenz verschiedener Subgruppen von Biosynthesegencluster-andordnungen zugelassen. Diese Informationen könnten zukünftige Untersuchungen erleichtern, die auf die Identifizierung der konkreten Funktionen dieser Verbindung ausgelegt sind. Des Weiteren wurde untersucht ob Lassopeptide geeignete Gerüste für die Wirkstoffentwicklung durch Epitope‑Grafting‑Ansätze sind. In dieser Hinsicht wurde eine vorher veröffentlichte, bioaktive Lassopeptidvariante als Basis genommen, um zu zeigen, dass solche Verbindungen in der Tat durch rationale Ansätze optimiert und verbessert werden können. Dieses Vorgehen basierte auf Forschungsergebnissen, die aus Studien mit linearen und zyklischen Peptiden erhalten wurden, welche, im Gegensatz zu Lassopeptiden, leicht durch chemische Synthese zugänglich sind.