Dokument: Die farbenfrohe Welt der Prodiginine - Neue Enzyme für die Synthese bioaktiver Naturstoffderivate

Titel:	Die farbenfrohe Welt der Prodiginine - Neue Enzyme für die Synthese bioaktiver Naturstoffderivate
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=55608
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20210308-110145-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Braß, Hannah Ursula Clara [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 94,63 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 01.03.2021 / geändert 01.03.2021
Beitragende:	Prof. Dr. Pietruszka, Jörg [Gutachter] Prof. Dr. Jaeger, Karl-Erich [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Im Fokus dieser Arbeit steht der Naturstoff Prodigiosin und die bioökonomische Generierung der Verbindung einschließlich neuer Derivate. Dabei sind zentrale Aspekte der Untersuchungen das Schlüsselenzym der Biosynthese, die Erforschung der Bioaktivität von Prodigininen und die Verbesserung der biosynthetischen Produktion. Die Flexibilität des Schlüsselenzyms der Prodigiosinbiosynthese – PigC – ermöglichte bereits, wie in der Doktorarbeit von Dr. Andreas S. Klein gezeigt, die Herstellung von Prodigiosin Derivaten unter Nutzung der Mutasynthese. Einige Monopyrrole, vor allem Monopyrrole mit längeren Seitenketten, konnten dennoch nicht von der Ligase PigC umgesetzt und in das Zielmolekül eingebaut werden, sodass ein Bedarf an alternativen Enzymen gegeben war. Eine systematische Suche nach PigC Homologen und Analyse der entsprechenden Gencluster bakterieller Prodigiosin und Tambjamin Produzenten im Zuge dieser Arbeit zeigte putativ neue Kondensationsenzyme auf. Die entsprechenden Gene wurden heterolog in E. coli exprimiert und auf deren Aktivität hin untersucht. Während die Expression von pigC Homologen aus Streptomycetaceae Schwierigkeiten aufwies, wurden zwei für Kondensationsenzyme codierende Gene aus Tambjamin produzierenden Pseudoalteromonadaceae erfolgreich und aktiv heterolog exprimiert. Diese Enzyme konnten für die biokatalytische Produktion von Prodigininen eingesetzt werden. Vergleichende enzymkinetische Untersuchungen und eine Analyse des Substratspektrums wurden durchgeführt. Der Einsatz der Kondensationsenzyme aus Pseudoalteromonadaceae konnte schließlich einen Zugang zu biokatalytisch bisher nicht adressierbaren Derivaten ermöglichen und auch ein semipräparativer Biokatalyseansatz wurde etabliert. Die in vorgehenden Arbeiten bereits etablierte nachhaltige Produktion von Prodigiosin unter Nutzung des sicheren bakteriellen Prodigiosinproduzenten P. putida pig r2 wurde im Zuge der vorliegenden Arbeit verbessert. Durch systematische Untersuchungen der Kultivierungsparameter war eine Verbesserung der Produktionsleistung und somit eine höhere Prodigiosin Produktion möglich. Die Bioaktivität von Prodigiosin und verschiedenen Derivaten wurde gegenüber zwei biotechnologisch relevanten Hefen und somit eukaryotischen Organismen untersucht, wobei Hefen weniger sensitiv auf Prodiginine reagierten als Gram positive Bakterien, jedoch eine nicht so hohe Toleranz aufwiesen wie Gram negative Bakterien. Im Rahmen unterschiedlicher Kooperationen wurden weitere Aspekte der Bioaktivität von Prodigininen untersucht. In Bezug auf die antibiotische Wirkung konnte M. Sc. Jennifer Hage Hülsmann (Institut für Molekulare Enzymtechnologie, Heinrich Heine Universität Düsseldorf) die Aktivität von Prodigiosin und Derivaten auf einige fakultativ humanpathogene Bakterien nachweisen. Durch eine Zusammenarbeit mit Dr. Sonja Sievers und Dr. Luca Laraia am Max Planck Institut für Molekulare Physiologie in Dortmund in der Abteilung für Chemische Biologie und am Compound Management and Screening Center wurde festgestellt, dass Prodiginine eine Beeinflussung der Autophagie Prozesse in Brustkrebszellen und Apoptose auslösen. Dabei zeigten vor allem Derivate mit kürzeren Alkylketten erhöhte Wirksamkeit. Ein neuer Gesichtspunkt der Bioaktivität von Prodigininen wurde durch die Kooperation mit dem Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz, Abteilung Molekulare Phytomedizin der Rheinische Friedrich Wilhelms Universität Bonn aufzeigt. So konnten durch Untersuchungen, durchgeführt von Dr. Samer S. Habash, Prodiginine in Bezug auf ihre Wirkung gegenüber pflanzenpathogene Nematoden und Pilze erforscht werden, wobei ein Teil der Pflanzenschädlinge durch Prodiginine im Wachstum inhibiert wurde. This work focuses on the natural product prodigiosin and the bioeconomic generation of the compound including new derivatives. Central aspects of this research were the key enzyme of the biosynthesis, the examination of the bioactivity of prodiginines, and the improvement of biosynthetic production. The flexibility of the key enzyme of prodigiosin biosynthesis – PigC – has already enabled the production of prodigiosin derivatives using a mutasynthesis approach, as shown in the doctoral thesis of Dr. Andreas S. Klein. However, some monopyrroles, especially monopyrroles with longer side chains, could not be converted and incorporated into the target molecule by the ligase PigC, and thus there was a need for alternative enzymes. A systematic search for PigC homologues and analysis of the corresponding gene clusters of bacterial prodigiosin and tambjamine producers in the course of this work revealed new putative condensing enzymes. The corresponding genes were heterologously expressed in E. coli and their activity investigated. While facing difficulties during the expression of pigC homologues from Streptomycetaceae, two genes coding for condensing enzymes from Tambjamine producing Pseudoalteromonadaceae were successfully and actively expressed heterologously. These enzymes could be used for the biocatalytic production of prodiginines. Comparative enzyme kinetic studies and an analysis of the substrate spectrum were performed. Finally, the use of condensing enzymes from Pseudoalteromonadaceae provided access to biocatalytically previously non-addressable derivatives and a semi-preparative biocatalytic approach was also established. The sustainable production of prodigiosin by the safe bacterial prodigiosin producer P. putida pig r2, which had already been established in previous work, was improved during the course of this work. Systematic examinations of the cultivation parameters allowed an improvement of the production performance and thus a higher prodigiosin production. The bioactivity of prodigiosin and various derivatives was investigated towards two biotechnologically relevant yeasts and hence eukaryotic organisms. The examined yeasts reacted less sensitively to prodigiosin than Gram positive bacteria, but showed a lower tolerance than Gram negative bacteria. Together with various cooperations partners further aspects of the bioactivity of prodiginines were investigated. With regard to the antibiotic effect, M. Sc. Jennifer Hage Hülsmann (Institute of Molecular Enzyme Technology, Heinrich Heine University Düsseldorf) was able to demonstrate the activity of prodigiosin and derivatives towards some facultatively human pathogenic bacteria. In a collaboration with Dr. Sonja Sievers and Dr. Luca Laraia at the Max Planck Institute of Molecular Physiology in Dortmund in the Department of Chemical Biology and at the Compound Management and Screening Center, it was discovered that prodiginines influence autophagy processes in breast cancer cells and induce apoptosis. In particular, derivatives with shorter alkyl chains showed increased efficacy. A new aspect of the bioactivity of prodiginines was demonstrated by the cooperation with the Institute of Crop Science and Resource Conservation, Department Molecular Phytomedicine of the University of Bonn. In studies carried out by Dr. Samer S. Habash, prodiginines were examined with regard to their effect on plant pathogenic nematodes and fungi, whereby some of the plant pests were inhibited in growth by prodiginines.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Bioorganische Chemie
Dokument erstellt am:	08.03.2021
Dateien geändert am:	08.03.2021
Promotionsantrag am:	05.05.2020
Datum der Promotion:	08.10.2020