Dokument: Methoden zur Herstellung von Prodigininen als Wirkstoffe – Eine farbenfrohe Brücke zwischen Chemie und Biologie

Titel:	Methoden zur Herstellung von Prodigininen als Wirkstoffe – Eine farbenfrohe Brücke zwischen Chemie und Biologie
Weiterer Titel:	Methods for the production of prodiginines as active compounds – A colourful bridge between chemistry and biology
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=46849
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20180828-090844-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr. Klein, Andreas Sebastian [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 23,33 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 26.08.2018 / geändert 26.08.2018
Beitragende:	Prof. Dr. Pietruszka, Jörg [Gutachter] Prof. Dr. Jaeger, Karl-Erich [Gutachter]
Stichwörter:	Prodiginine, Prodigiosin, Mutasynthese, Semisynthese, Biosynthese, precursor-directed Biosynthese
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Naturstoffe sind nicht nur ubiquitäre Biomoleküle aller lebenden Organismen, sie bilden auch zu großen Teilen den Grundstein der heutigen medizinischen Wirkstoffe. Unter der Betrachtung der stetig wachsenden Weltbevölkerung und des demographischen Wandels stehen insbesondere solche Naturstoffe im Vordergrund, welche altersbedingte Krankheiten und bakterielle Epidemien als Ziel vorsehen und zusätzlich die Ernährung der Weltbevölkerung sichern. Gegenwärtige Strategien sehen hierbei für die Entwicklung neuer Naturstoffe und deren Derivate eine, unter bioökonomischen Gesichtspunkten, nachhaltige Produktion als Grundvoraussetzung an. Die zentralen Naturstoffe dieser Arbeit bilden die Prodiginine, welche aus der Stoffklasse der Pyrrolalkaloide stammen. Prodiginine zeigen neben antibakteriellen Eigenschaften auch biologische Aktivitäten gegenüber Tumoren, Pilzen und Malariaerregern. Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Entwicklung nachhaltiger Produktionsstrategien für Prodigininderivate und die Evaluation ihrer biologischen Aktivität. Zunächst lag der Schwerpunkt in der Synthese von biomimetischen Intermediaten des Naturstoffes Prodigiosin. Die Kombination von literaturbekannten Synthesemethoden konnte nicht nur eine Verkürzung der aktuellen Totalsynthesen erreichen, sondern eröffnete auch durch die Trofimov Reaktion den Zugang zu insgesamt 19 Pyrrolbausteinen, welche die Grundlage für die Produktion der Derivate bildeten. Eine nachhaltige, biosynthetische Produktion von Prodigiosin gelang durch die Integration des Biosyntheseclusters aus dem putativen Humanpathogen Serratia marcescens in das Genom des GRAS zertifizierten Stamms Pseudomonas putida KT2440. Durch die Etablierung eines auf Polyurethanschaum basierten Extraktionssystems konnte die Produktionsmenge erhöht werden und es gelang zudem eine kostengünstige und effiziente Bereitstellung des Naturstoffes und der späteren Derivate. Die Herstellung der Derivate wurde durch die Erzeugung einer Intermediat-defizienten Mutante und deren Einsatz in Mutasynthese- und Semisynthese Strategien ermöglicht. Die Mutasynthese erlaubte dabei die Adressierung von 18 verschiedenen Prodigininen und die Aufklärung des Substratspektrums des finalen Kondensationsenzyms der Biosynthese. Das Substratspektrum wurde ebenfalls durch biokatalytische und enzymkinetische Umsetzungen bestätigt und konnte eine Insuffizienz des Substratimports negieren. Die Semisynthese erlaubte den Zugang zu zwei weiteren Derivaten. Zusätzlich zu Prodigiosin wurde die Bioaktivität von vier Derivaten aus präparativen Mutasynthesen evaluiert. Neben einer ausgeprägten antibakteriellen Wirkung gegenüber grampositiven Bakterien konnte die Inhibierung der Autophagie und die Apoptose bei Brustkrebszellen beobachtet werden. Letztere Aktivität war für ein Derivat stärker ausgeprägt als bei der Verwendung des bekannten synthetischen Derivates Obatoclax. Der letzte Themenabschnitt dieser Arbeit beschäftigte sich mit der enzymatischen Zyklisierung von Alkylprodigininen. Für dieses Forschungsfeld wurde der Grundstein durch die Etablierung der Analytik und der heterologen Produktion der entsprechenden Zyklase und deren putativen Elektronentransportkette aus Streptomyces coelicolor A3(2) in Escherichia coli gelegt. Natural products are not only ubiquitously distributed in all living organisms, they also form to a large extent the foundation of medicinal ingredients. Considering the constantly growing world population and the demographic change, focus is most commonly placed on those natural products, which are active against age-associated diseases and bacterial epidemics, and furthermore ensure the nutrition of the world's population. Current strategies envisage the development of new natural products and their derivatives from a bioeconomical point of view as a prerequisite for their sustainable production. The key natural compounds of the present thesis are the prodiginines, which are derived from a group of naturally occurring pyrrole alkaloids. Besides their antibacterial properties, prodiginines exhibit several biological effects including antitumor, antifungal and antimalarial activities. The purpose of the present thesis consisted in the development of sustainable production strategies for derivatives of prodiginines and the evaluation of their biological activities. Initially, the main focus was on the synthesis of biomimetic intermediates of the natural product prodigiosin. The combination of literature known synthetic methods could not only shorten the current total syntheses, but also created access to 19 pyrrole building blocks via the Trofimov reaction, which provided the basis for the production of natural product derivatives. A sustainable, biosynthetic production of prodigiosin was achieved by integration of the biosynthetic gene cluster of the opportunistic human pathogen Serratia marcescens into the genome of the GRAS classified strain Pseudomonas putida KT2440. By establishing a polyurethane foam based extraction system, the production titer could be increased and an economical and efficient provision of the natural compound and subsequent derivatives was achieved. The production of derivatives was enabled by the generation of an intermediate deficient mutant and its application in mutasynthesis and semisynthetic approaches. The mutasynthesis allowed the access to 18 prodiginines and the determination of the substrate specificity of the final condensing enzyme of the biosynthesis. Furthermore, the substrate scope was also verified by the use of isolated enzyme in biocatalysis and enzyme kinetics and it was therefore possible to negate an insufficient substrate import. The semisynthesis allowed the access to two further derivatives. In addition to prodigiosin, the bioactivity of four derivatives, generated in preparative scale mutasynthetic reactions, was evaluated. Beyond the distinct antibacterial effect against gram positive bacteria, an inhibition of the autophagic flux and the apoptosis of breast cancer cells was observed. The latter activity was more pronounced for one of the derivatives than for the known synthetic compound derivative Obatoclax. The last section of the present thesis focuses on the enzymatic cyclisation of alkylprodiginines. For this topic the analysis of the compounds and the heterologous production of the corresponding cyclase and their putative electron transport chain enzymes from Streptomyces coelicolor A3(2) was established in Escherichia coli.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Bioorganische Chemie
Dokument erstellt am:	28.08.2018
Dateien geändert am:	28.08.2018
Promotionsantrag am:	08.12.2017
Datum der Promotion:	03.05.2018