Exploring the biosynthetic potential of Cystobacter fuscus : characterization of new structures and studies on their biosynthesis

Abstract

Natural products provide an important basis for the drug development in particular to fight the increasing resistance of microorganisms against existing drugs. Myxobacteria, gram negative ubiquitous soil bacteria belonging to the class of γ-proteobacteria, have proven an impressive capacity for the production of chemically intriguing natural products. In a chemical screening approach, Cystobacter fuscus MCy9118 was used to isolate new natural products based on chemical and structural features where two new compound families were identified and characterized. The cystomanamides are characterized by hydroxylated amino acids, an unusual branched chain fatty acid residue as well as N-glycosylation. The macyranones are unusual peptides belonging to the class of peptidic α’,β’-epoxyketones. Macyranone A exhibits potent and selective activity against Trypanosoma brucei rhodesiense, the parasitic agent causing the African sleeping sickness. The target was identified as 20S proteasome by enzymatic assays. A co-crystal structure of macyranone A with the yeast 20S proteasome revealed the binding mode underlying the compound-target interaction. Macyranone A represents the successful isolation of a new natural product with identified mode of action, which can be useful for the drug development process against the African sleeping sickness. The biosynthetic gene clusters for both compound families were identified as PKS / NRPS hybrids by in silico analysis and confirmed by gene deletion.

Naturstoffe bilden eine wichtige Grundlage zur Entwicklung neuer Wirkstoffe für die Arzneimitteltherapie, vor allem im Kampf gegen Antibiotikaresistenzen bei Pilzen, Viren, Parasiten und Bakterien. Myxobakterien, gramnegative ubiquitäre Bodenbakterien, haben eine beeindruckende Kapazität zur Produktion von chemisch faszinierenden Naturstoffen unter Beweis gestellt. Das Myxobakterium Cystobacter fuscus MCy9118 wurde in einem chemischen Screening auf die produzierten Naturstoffe hin untersucht und dabei konnten zwei neue Substanzfamilien charakterisiert werden. Die Cystomanamide weisen als besondere Strukturelemente hydroxylierte Aminosäuren, eine verzweigte Fettsäurekette sowie eine N-Glykosylierung auf. Bei der zweiten Substanzgruppe handelt es sich um die Macyranone, sehr ungewöhnliche Verbindungen aus der Gruppe der peptidischen α’,β’-Epoxyketone. Macyranone A zeigt biologische Aktivität gegen Trypanosoma brucei rhodesiense, dem parasitären Erreger der Afrikanischen Schlafkrankheit. Das 20S Proteasom konnte als Target identifiziert und durch eine Cokristallisation des Macyranone A mit dem 20S Proteasom der Hefe bestätigt werden. Damit konnte ein Naturstoff isoliert werden, der mit bekanntem Wirkmechanismus als Ansatzpunkt für die Entwicklung neuer Wirkstoffe gegen die Schlafkrankheit genutzt werden kann. Die Biosynthesegencluster beider Substanzklassen wurden durch in silico Analyse als PKS-NRPS Hybrid identifiziert und durch den Knockout von beteiligten Genen bestätigt.