Process Characterization and Optimization for the Production of Bioactive Natural Products with Gliding Bacteria

Beckmann, Amelie

Natural products experience an increasing importance in pharmaceutical research where the development of new lead compounds, especially those with antibiotic activity, has become imperative. The innovation gap left behind by the termination of natural product research in most pharmaceutical companies in the 1990s cannot be filled by chemically synthesized molecules, contrary to the belief of the past decades. In order to reinvigorate natural product development, the potential of so far neglected secondary metabolite producers like gliding bacteria from the order of Myxococcales and the genus Chitinophaga needs to be investigated more thoroughly. This thesis comprises three projects dealing with the development and optimization of fermentation processes for the production of secondary metabolites with antibiotic activity from these gliding bacteria with the aim of increasing their accessibility for further research. The first project covers the production of the anti-MRSA compound family of elansolids by its native producer Chitinophaga sancti Fx7914. The focus was set on the production of elansolid A2, the starting compound for semisynthetical medicinal chemistry approaches. The other important derivative was elansolid C1, which is formed through nucleophilic addition of anthranilic acid directly after biosynthesis. The production of elansolid C1 can thus serve as a model process for precursor-directed biosynthesis with the ultimate goal of facilitating structure-activity-relationship studies. The other two projects deal with the process optimization of the heterologous production of two types of myxobacterial compound classes with the model strain Myxococcus xanthus DK1622. The class of polyketides is represented by the α-pyrone myxopyronin A whereas the non-ribosomal peptide synthetase-derived compounds are represented by the peptolide family of vioprolides. Process optimization was accomplished by improvement of the media composition and process parameters using statistical experiment design, as well as precursor-feeding. These studies lead to the aim of investigating M. xanthus as an expression platform for natural products in general.

Naturstoffe erfahren in der heutigen Zeit eine wachsende Bedeutung in der pharmazeutischen Forschung, denn die Entwicklung neuer Leitstrukturen, vor allem jener mit antibiotischer Aktivität, ist zwingend notwendig geworden. Die Innovationslücke, die durch die Beendigung der Naturstoffforschung in den meisten Pharmaunternehmen Ende der 1990er Jahre entstanden ist, kann nicht, anders als lange Jahre angenommen, allein durch rein synthetische Produkte gefüllt werden. Um die Entwicklung neuer Naturstoffe voranzutreiben, muss das Potential bislang vernachlässigter Produzenten von Sekundärmetaboliten, wie denen der Ordnung Myxococcales und der Gattung Chitinophaga, tiefergehend erforscht werden. Diese Arbeit beinhaltet drei Projekte, die sich mit der Entwicklung und Optimierung von Fermentationsprozessen für die Produktion von Sekundärmetaboliten mit antibiotischer Aktivität mithilfe dieser gleitenden Bakterien beschäftigt. Das übergeordnete Ziel hierbei ist es, die Zugänglichkeit dieser Naturstoffe für die weitergehende Forschung zu erhöhen. Das erste Projekt behandelt die Produktion der anti-MRSA Stofffamilie der Elansolide mithilfe ihres natürlichen Produzenten Chitinophaga sancti Fx7914. Der Fokus lag auf der Produktion von Elansolid A2, die Ausgangsverbindung für semisynthetische Medizinalchemie-Ansätze. Das zweite interessante Derivat war Elansolid C1, welches durch die nukleophile Addition von Anthranilsäure im direkten Anschluss an die Biosynthese gebildet wird. Die Produktion von Elansolid C1 dient somit als Modellprozess für die Precursor-gesteuerte Biosynthese, die als übergeordnetes Ziel die Erleichterung der Erforschung von Struktur-Aktivitätsbeziehungen nach sich zieht. Die anderen beiden Projekte beschäftigen sich mit der Prozessoptimierung der heterologen Produktion von zwei verschiedenen Arten myxobakterieller Naturstoffe mit dem Modellorganismus Myxococcus xanthus DK1622. Die Klasse der Polyketide wird durch das α-Pyron Myxopyronin A vertreten, wohingegen die Stoffe, die mithilfe von nicht-ribosomalen Peptidsynthetasen hergestellt werden, durch die Peptolidfamilie der Vioprolide repräsentiert werden. Eine Prozessoptimierung wurde in diesen Projekten durch die Anpassung der Medienzusammensetzung und der Prozessparameter erreicht, bei der sowohl statistische Versuchsplanung als auch Fütterung von Precursoren angewendet wurde. Diese Studien sind Teil der Untersuchung von M. xanthus als heterologe Expressionsplattform für weitere Naturstoffe.

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Beckmann, Amelie: Process Characterization and Optimization for the Production of Bioactive Natural Products with Gliding Bacteria. 2018.

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