Dokument: Secondary Metabolites of Marine-Derived Fungi

Titel:	Secondary Metabolites of Marine-Derived Fungi
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=55862
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20210406-110752-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	M.Sc. Hassouna, Dina [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 23,79 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 30.03.2021 / geändert 30.03.2021
Beitragende:	Prof. Dr. Dres. h.c. Proksch, Peter [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Kassack, Matthias [Gutachter]
Stichwörter:	Marine natural products
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Since ancient times, nature has served as an inspiration for and source of therapies for many diseases of mankind. Despite the development of many modern synthetic therapeutics, there is an immense need for finding bioactive natural compounds which could serve as lead compounds for drug discovery and development. The marine environment represents one of the most important resources of bioactive secondary metabolites. In particular, marine fungi exemplify an underexplored treasure and are producers of many promising natural products that could contribute to the development of new pharmaceuticals. Aiming to expand the potential of marine-derived fungi, the OSMAC approach (One Strain Many Compounds) is implemented to activate silent biosynthetic gene clusters and eventually to expand the metabolic profile of fungi. This dissertation includes two major projects described in three publications. The first project deals with the investigation of a marine-derived strain of the fungus Metarhizium marquandii obtained from a seawater sample collected from the North Sea, Germany. The second project deals with the investigation of the marine-derived fungus Aspergillus falconensis isolated from marine sediment collected at a depth of 25 m from the Canyon at Dahab, Red Sea, Egypt. In general, the work flow has focused on exploring the diverse cryptic fungal metabolites of these fungi in addition to some modifications in the culture conditions (OSMAC approach) with the purpose of diversifying the metabolic pattern of the fungi. For the isolation of the secondary metabolites from the aforementioned fungi, several chromatographic techniques have been utilized. The structures of the isolated compounds were unambiguously elucidated by 1D/2D nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) analyses together with mass spectrometry data, while their stereochemical configurations were deduced based on optical rotations (OR) measurements and comparison with the literature values, modified Mosher’s method (MMM), electronic circular dichroism (ECD) and vibrational circular dichroism (VCD) calculations or single-crystal X-ray diffraction analysis (XRD). The results described in this dissertation are included in two published manuscripts and one manuscript which is currently under revision. First Project: Investigation of the marine-derived strain of the fungus Metarhizium marquandii. The results of the first project are published in the Journal of Natural Products in August, 2019, by Dina H. El-Kashef, Georgios Daletos, Malte Plenker, Rudolf Hartmann, Attila Mándi, Tibor Kurtán, Horst Weber, Wenhan Lin, Elena Ancheeva and Peter Proksch, and are included in chapter 2 (Polyketides and a Dihydroquinolone Alkaloid from a Marine-Derived Strain of the Fungus Metarhizium marquandii). “Three new natural products (1–3), including two butenolide derivatives (1 and 2) and one dihydroquinolone derivative (3), together with nine known natural products were isolated from a marine-derived strain of the fungus Metarhizium marquandii. The structures of the new compounds were unambiguously deduced by spectroscopic means including HRESIMS and 1D/2D NMR spectroscopy, ECD, VCD, OR measurements, and calculations. The absolute configuration of marqualide (1) was determined by a combination of modified Mosher’s method with TDDFT-ECD calculations at different levels, which revealed the importance of intramolecular hydrogen bonding in determining the ECD features. The (3R,4R) absolute configuration of aflaquinolone I (3), determined by OR, ECD, and VCD calculations, was found to be opposite of the (3S,4S) absolute configuration of the related aflaquinolones A–G, suggesting that the fungus M. marquandii produces aflaquinolone I with a different configuration (chiral switching). The absolute configuration of the known natural product terrestric acid hydrate (4) was likewise determined for the first time in this study. TDDFT-ECD calculations allowed determination of the absolute configuration of its chirality center remote from the stereogenic unsaturated γ-lactone chromophore. ECD calculations aided by solvent models revealed the importance of intramolecular hydrogen bond networks in stabilizing conformers and determining relationships between ECD transitions and absolute configurations.” (El-Kashef et al. 2019). Second Project: Investigation of the marine-derived fungus Aspergillus falconensis. The results of the second project are included in two major publications based on the metabolic pattern of isolated compounds and the conducted bioassays. The first part is published in Marine Drugs in April, 2020 by Dina H. El-Kashef, Fadia S. Youssef, Rudolf Hartmann, Tim-Oliver Knedel, Christoph Janiak, Wenhan Lin, Irene Reimche, Nicole Teusch, Zhen Liu and Peter Proksch while, the other part is submitted to Bioorganic & Medicinal Chemistry, Dina H. El-Kashef, Fadia S. Youssef, Werner E.G. Müller, Wenhan Lin, Marian Frank, Zhen Liu and Peter Proksch and currently is under revision. The results are included in chapter 3 and 4, respectively. (Azaphilones from the Red Sea Fungus Aspergillus falconensis). “The marine-derived fungus Aspergillus falconensis, isolated from sediment collected from the Canyon at Dahab, Red Sea, yielded two new chlorinated azaphilones, falconensins O and P (1 and 2) in addition to four known azaphilone derivatives (3−6) following fermentation of the fungus on solid rice medium containing 3.5% NaCl. Replacing NaCl with 3.5% NaBr induced accumulation of three additional new azaphilones, falconensins Q−S (7−9) including two brominated derivatives (7 and 8) together with three known analogues (10−12). The structures of the new compounds were elucidated by 1D and 2D NMR spectroscopy and HRESIMS data as well as by comparison with the literature. The absolute configuration of the azaphilone derivatives was established based on single-crystal X-ray diffraction analysis of 5, comparison of NMR data and optical rotations as well as on biogenetic considerations. Compounds 1, 3−9, and 11 showed NF-κB inhibitory activity against the triple negative breast cancer cell line MDA-MB-231 with IC50 values ranging from 11.9 to 72.0 µM.” (El-Kashef et al. 2020). (A new dibenzoxepin and a new natural isocoumarin from the marine-derived fungus Aspergillus falconensis). “Fermentation of the marine-derived fungus Aspergillus falconensis, isolated from sediment collected from the Red Sea, Egypt on solid rice medium containing 3.5% NaCl yielded a new dibenzoxepin derivative (1) and a new natural isocoumarin (2) along with six known compounds (3 - 8). Changes in the metabolic profile of the fungus were induced by replacing NaCl with 3.5% (NH4)2SO4 that resulted in the accumulation of three further known compounds (9 – 11), which were not detected when the fungus was cultivated in the presence of NaCl. The structures of the new compounds were elucidated by HRESIMS and 1D/2D NMR as well as by comparison with the literature. Molecular docking was conducted for all isolated compounds on crucial enzymes involved in the formation, progression and metastasis of cancer which included human cyclin-dependent kinase 2 (CDK-2), human DNA topoisomerase II (TOP-2) and matrix metalloproteinase 13 (MMP-13). Diorcinol (7), sulochrin (9) and monochlorosulochrin (10) displayed notable stability within the active pocket of CDK-2 with free binding energy (∆G) equals to -25.72, -25.03 and -25.37 Kcal/mol, respectively whereas sulochrin (9) exerted the highest fitting score within MMP-13 active center (∆G = -33.83 Kcal/mol). In vitro cytotoxic assessment using MTT assay showed that sulochrin (9) exhibited cytotoxic activity versus L5178Y mouse lymphoma cells with an IC50 value of 5.1 µM.”, (abstract taken from the submitted draft). Seit der Vorzeit dient die Natur als Ideengeber und Quelle für Arzneistoffe, die Menschen zur Behandlung von zahlreichen Krankheiten einsetzen. Wenngleich neue moderne, synthetische Arzneistoffe entwickelt werden, gibt es nach wie vor ein großes Bestreben bioaktive Naturstoffe zu entdecken, da diese als Leitstrukturen zur Entdeckung und Entwicklung neuer Therapeutika dienen können. Marine Habitate bilden eine der wichtigsten Quellen für die Suche nach bioaktiven Sekundärmetabolite. Marine Pilze stellen hierbei eine noch wenig erforschte Quelle für die Naturstoffforschung dar. Pilze sind u. a. Produzenten zahlreicher und vielversprechender Naturstoffe, die zur Entwicklung neuer Arzneistoffe beitragen können. Um das Potential mariner Pilze besser nutzen zu können, kann das OSMAC Prinzip (One Strain Many Compounds für Ein Stamm viele Verbindungen) angewendet werden. Hierbei können sog. „schlafende“ Biosynthese-Gencluster reaktiviert werden. Die Aktivierung von diesen Biosynthese-Genclustern kann u. a. wiederum zu einer Änderung des metabolischen Profils führen. Diese Dissertation ist in zwei Hauptprojekte gegliedert, aus denen insgesamt drei Publikationen hervorgegangen sind. Das erste Projekt befasst sich mit der Untersuchung des marinen Pilzes Metarhizium marquandii, welcher aus einer deutschen Nordseemeerwasserprobe isoliert worden war Das zweite Projekt befasst sich mit der Untersuchung des marinen Pilzes Aspergillus falconensis. Dieser wurde aus einer Probe Meeressediment isoliert. Die Probe stammte aus 25 m Tiefe des roten Meeres an der Schlucht von Dahab in Ägypten. Das generelle Arbeitsschema legt hierbei den Fokus auf die Entdeckung kryptischer Pilzmetaboliten. Es wurden Modifikationen an den Kultivierungsbedingungen vorgenommen (OSMAC Ansatz) um eine Diversifizierung der pilzlichen Metabolitmuster zu erreichen. Um Sekundärmetaboliten aus den zuvor genannten Pilzen zu isolieren, wurden verschiedene chromatographische Verfahren angewendet. Die planare Struktur der isolierten Verbindungen wurde durch das Zusammenspiel von ein- und zweidimensionaler Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) und Massenspektrometrie eindeutig aufgeklärt. Die Stereochemie wurde durch Messungen und Literaturvergleich der optischen Aktivität (OR), modifizierter Mosher Methode (MMM), Messung und Berechnung von elektronischem Zirkulardichroismus (ECD) und Vibrations Zirkulardichroismus (VCD), sowie der Interpretation von Röntgenkristallstrukturbeugungsmustern (XRD) abgeleitet. Die in dieser Dissertation beschriebenen Ergebnisse sind Bestandteile von zwei Veröffentlichungen und einem bereits zur Veröffentlichung eingereichten Manuskript. Erstes Projekt: Untersuchungen am marinen Pilz Metarhizium marquandii. Die Ergebnisse des ersten Projektes wurden im August 2019 im Journal of Natural Products von Dina H. El-Kashef, Georgios Daletos, Malte Plenker, Rudolf Hartmann, Attila Mándi, Tibor Kurtán, Horst Weber, Wenhan Lin, Elena Ancheeva und Peter Proksch veröffentlicht. Sie sind im Original in Kapitel 2 (Polyketides and a Dihydroquinolone Alkaloid from a Marine-Derived Strain of the Fungus Metarhizium marquandii) zu finden. “Drei neue Naturstoffe (1–3), inklusive zweier Butenolid Derivative (1 und 2) und einem Dihydrochinolon Derivativ (3), wurden zusammen mit neun bekannten Naturstoffen aus dem marinen Pilz Metarhizium marquandii isoliert. Die Struktur der neuen Verbindungen wurde durch den Einsatz spektroskopischer Methoden wie HRESIMS, 1D/2D NMR sowie Messungen und Berechnungen von ECD, VCD und OR eindeutig aufgeklärt. Die absolute Konfiguration von Marqualid (1) wurde durch eine Kombination aus modifizierter Mosher Methode und mehrstufigen TDDFT-ECD Berechnungen bestimmt. Hierbei wurde die intramolekulare Wasserstoffbrücke als das Strukturmerkmal identifiziert, welches das ECD bestimmt. Die absolute (3R,4R) Konfiguration von Aflachinolon I (3), bestimmt durch OR, ECD und VCD Berechnungen, stellte sich als chirales Gegenstück zur absoluten (3S,4S) Konfiguration der verwandten Aflachinolone A–G heraus. Dies legt nah, dass das vom Pilz M. marquandii produzierte Aflachinolon I einem chiralen Switch unterliegt. Außerdem wurde die absolute Konfiguration des bekannten Naturstoffs Terresticsäurehydrat (4) in dieser Studie zum ersten Mal beschrieben. TDDFT-ECD Berechnungen erlaubten die Bestimmung der absoluten Konfiguration des Chiralitätszentrums, welches sich entfernt von der stereogenen Einheit des ungesättigten γ-Lacton Chromophors befindet. ECD Berechnungen halfen hierbei im Lösemittelmodell dabei die Wichtigkeit des intramolekularen Wasserstoffbrückennetzwerks aufzuzeigen. Dieses stabilisiert Konformere und ist damit maßgeblich am der Beziehung zwischen ECD Übergängen und der absoluten Konfiguration beteiligt.” (El-Kashef et al. 2019). Zweites Projekt: Untersuchungen am marinen Pilz Aspergillus falconensis. Die Ergebnisse des zweiten Projekts bilden den Inhalt von zwei Publikationen und beschäftigen sich mit der Einordnung der isolierten Verbindungen in ein metabolisches Muster und mit den damit durchgeführten Bioassays. Der erste Teil wurde im April 2019 in Marine Drugs von Dina H. El-Kashef, Fadia S. Youssef, Rudolf Hartmann, Tim-Oliver Knedel, Christoph Janiak, Wenhan Lin, Irene Reimche, Nicole Teusch, Zhen Liu und Peter Proksch veröffentlicht, während der zweite Teil zurzeit in Revision bei Bioorganic & Medicinal Chemistry ist. Das Manuskript wurde von Dina H. El-Kashef, Fadia S. Youssef, Werner E.G. Müller, Wenhan Lin, Marian Frank, Zhen Liu und Peter Proksch eingereicht. Die Ergebnisse befinden sich im Original in Kapitel 3 und 4. (Azaphilones from the Red Sea Fungus Aspergillus falconensis). “Der marine Pilz Aspergillus falconensis, der aus einer Sedimentprobe des roten Meers bei der Schlucht von Dahab isoliert worden war, produzierte bei einer Fermentation auf festem Reismedium unter Zusatz von 3.5 % NaCl, zwei neue chlorierte Azaphilone: Falconensine O und P (1 und 2) und außerdem vier bekannte Azaphilonderivate (3−6). Die Substitution von NaCl mit 3.5 % NaBr führte zur Akkumulation von drei zusätzlichen neuen Azaphilonen: Falconensine Q-S (7-9), und außerdem von drei bekannten Analoga (10-12). Unter den Verbindungen befanden sich zwei bromierte Derivative (7 und 8). Die neuen Strukturen wurden durch den Einsatz von 1D und 2D NMR, hochauflösender Massenspektrometrie, sowie den Vergleich mit Literaturdaten aufgeklärt . Die absolute Konfiguration der Azaphilonderivate wurde durch die Auswertung der Röntgenkristallstrukturanalye von 5, sowie den Vergleich von NMR Daten und optischer Aktivät unter Berücksichtigung der Aspekte der Biosynthese bestimmt. Verbindungen 1, 3−9, und 11 zeigten NF-κB Inhibitionsaktivität gegen die tripelnegative Brustkrebszelllinie MDA-MB-231 mit IC50 Werten im Bereich von 11.9 bis 72.0 µM.” (El-Kashef et al. 2020). (A new dibenzoxepin and a new natural isocoumarin from the marine-derived fungus Aspergillus falconensis). “Die Fermentation des marinen Pilzes Aspergillus falconensis, welcher aus einer Sedimentprobe des roten Meers in Ägypten isoliert wurde, auf festem Reismedium unter Zusatz von 3.5% NaCl produzierte ein neues Dibenzoxepinderivat (1) und ein neues natürlich vorkommendes Isocumarin (2), neben sechs weiteren bekannten Verbindungen (3 - 8). Der Austausch des zugesetzten NaCl durch 3.5% (NH4)2SO4 führte zu Veränderungen im metabolischen Profil und zur Isolation von drei weiteren Verbindungen (9 – 11), welche in Anwesenheit von NaCl nicht detektiert wurden. Die Struktur der neuen Verbindungen wurden durch den Einsatz von HRESIMS und 1D/2D NMR, sowie durch den Vergleich mit Literaturdaten aufgeklärt. Mit allen Substanzen wurde molekulares Docking in Bindetaschen der Enzyme humane cyclin-abhängige Kinase 2 (CDK-2), humane DNA Topoisomerase II (TOP-2) und Matrix Metalloproteinase 13 (MMP-13) durchgeführt. Hierbei handelt es sich um für die Bildung, das Fortschreiten und die Metastasierung von Krebserkrankungen essentielle Enzyme. Diorcinol (7), Sulochrin (9) und Monochlorosulochrin (10) zeigten hierbei bemerkenswerte Stabilität in der aktiven Bindetasche von CDK-2 mit freien Bindungsenergien (∆G) von jeweils -25.72, -25.03 und -25.37 Kcal/mol. Außerdem zeigte Sulochrin (9) einen hohen Fittingscore im aktiven Zentrum von MMP-13 (∆G = -33.83 Kcal/mol). In der in vitro Zytotoxizitätsbestimmung durch MTT-Assay gegen Mauslymphomazelllinie L5178Yzeigte Sulochrin (9) Aktivität mit einem IC50 Wert von 5.1 µM.”, (Der übersetzte Abstract stammt aus dem eingereichten Manuskript).
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Pharmazie » Pharmazeutische Biologie und Biotechnologie
Dokument erstellt am:	06.04.2021
Dateien geändert am:	06.04.2021
Promotionsantrag am:	05.11.2020
Datum der Promotion:	18.02.2021