Strain development for heterologous expression of secondary metabolite clusters in actinobacteria

Abstract

In this study we could show the biosynthetic potential of the genus Streptomyces by sequencing the genome of Streptomyces fulvissimus, which revealed 32 putative biosynthetic gene clusters. We were able to elucidate the biosynthesis of the macrodiolide antibiotic pamamycin by knocking out responsible genes in the pamamycin biosynthetic cluster and analyzing the resulting intermediates. We could show that succinyl-CoA is utilized as a starter unit and either malonyl-CoA, methylmalonyl-CoA or ethylmalonyl-CoA are used as extender units in pamamycin biosynthesis. The knowledge of the pamamycin biosynthesis was used to engineer our heterologous host, the model organism Streptomyces albus J1074, in a specific direction. We focused our efforts to reduce or abolish the cellular concentration of methylmalonyl-CoA and ethylmalonyl-CoA in S. albus J1074 to reduce the compound spectrum of produced pamamycins. We could greatly influence the compound spectrum and we could identify the bottleneck of pamamycin production as succinyl-CoA. We could also prove that the metabolism of valine is the sole provider for the biosynthesis of pamamycin. Furthermore we could show the dependency of antibiotic production on gene dosage and we could increase the production of several secondary metabolites by increasing the number of clusters present on the genome.

Wir konnten das genetische Potential des Genus Streptomyces anhand der kompletten Genom-Sequenz von Streptomyces fulvissimus, der 32 putative Biosynthese-Gencluster besitzt, zeigen. Außerdem konnten wir die Biosynthese des Makrodiolid-Antibiotikums Pamamycin aufklären, indem die für die Biosynthese verantwortlichen Gene ausgeknockt und die daraus entstandenen Intermediate nachgewiesen wurden. In der Pamamycin-Biosynthese wird Succinyl-CoA als Startereinheit verwendet, auf welche entweder Malonyl-CoA, Methylmalonyl-CoA oder Ethylmalonyl-CoA als weitere Bausteine folgen können. Dieses Wissen nutzten wir, um unseren heterologen Stamm Streptomyces albus J1074 gezielt zu verändern. Unser Ziel war es, die intrazellulären Konzentrationen von Methylmalonyl-CoA und Ethylmalonyl-CoA in S. albus zu verringern um das Substanzspektrum der produzierten Pamamycine einzuschränken. Wir konnten das Substanzspektrum der produzierten Pamamycine stark beeinflussen, dadurch Succinyl-CoA als den limitierenden Faktor der Biosynthese identifizieren, und nachweisen, dass sich die Pamamycin-Biosynthese ausschließlich aus dem Metabolismus von Valin speist. Durch das Einbringen mehrerer Biosynthesegencluster in denselben genetischen Hintergrund konnten wir die Produktion verschiedener Antibiotika steigern und dadurch zeigen, dass die Sekundärstoffproduktion von der Anzahl der Gencluster abhängig ist.