Dokument: Bioaktivitäten und strukturelle Vielfalt von Naturprodukten aus mikrobiellen Pilzen

Titel:	Bioaktivitäten und strukturelle Vielfalt von Naturprodukten aus mikrobiellen Pilzen
Weiterer Titel:	Bioactivities and structural diversity of natural products derived from fungi
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=62390
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20230413-073836-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Simons, Viktor Emanuel [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 79,98 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 11.04.2023 / geändert 11.04.2023
Beitragende:	Prof. Dr. Kalscheuer, Rainer [Gutachter] Prof. Dr. Peter Proksch [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Rückblickend auf die letzten Jahrzehnte schauen wir auf eine Periode, in der nur wenige neue Anbitiotika veröffentlich wurden. Zusammen mit dem immer häufigerem Auftreten von Pathogenen mit immer häufigeren Resistenzen gegen zur verfügung stehenden Antibiotika, wird die Entdeckung neuer Antibiotika zu einem der wichtigsten Punkte, um das Rennen gegen antimikrobielle Resistenzen nicht zu verlieren. Damit nicht zu viele Naturprodukte reisoliert werden, ist es wichtig, auch neue Wege zu gehen. Hierbei ist es von besonderer Bedeutung, sich auf weniger untersuchte ökologische Nischen, neue Kultivierungsstrategien und die Aktivierung von stillen Genclustern zu fokussieren. Toxoplasma gondii ist ein Parasit aus der Gruppe der Apicomplexa, der verschiedene warmblütrige Tiere und den Menschen infizieren kann. Die Toxoplasmose ist die zugehörige Erkrankung, die bei Immungeschwächten Patienten und Schwangeren zu schwere Schäden führen kann. Da therapeutische Optionen hier limitiert sind, hat die Entdeckung von neuen anti-toxoplasma Verbindungen mit niedrigem Nebenwirkungsprofil eine besondere Bedeutung. In dem Projekt "In vitro biological activity of natural products from the endophytic fungus Paraboeremia selaginellae against Toxoplasma gondii", welches in Kapitel 4 präsentiert wird, ist die Isolation des endophytischen Pilzes Paraboeremia selaginellae und die nachfolgende Isolation von acht Verbindungen aus dem Rohextrakt beschrieben. Die Verbindungen wurden aufgeklärt und die VCD-Daten für die Verbindung 5S,6S-phomalacton zum ersten Mal überhaupt gemessen. Alle acht Verbindungen wurden auf antibakterielle, zytotoxische und anti-toxoplasma Aktivität getestet. Hierbei haben sechs der acht Verbindungen moderate bis gute Aktivitäten gegen Toxoplasma gondii mit einem guten Zytotoxizitätsprofil gegen die getesteten humanen Zelllinien gezeigt. In Kapitel 5 wird ein Projekt beschrieben, bei dem der endophytische Pilz Trichocladium sp. in einem OSMAC-basierten Ansatz auf festem Reismedium, welches mit der aromatischen Aminosäure L-Phenylalanin angereichert wurde, kultiviert wurde. Zehn Verbindungen wurden aus dem Rohextrakt isoliert und dessen Strukturen aufgeklärt. In vorherigen Studien hat sich bereits gezeigt, dass die Supplementierung mit Medium hohen Proteingehalts oder der aromatischen Aminosäure L-Tyrosin zu neuen Verbindungen geführt hat. In dieser Studie wurden nun fünf neue Verbindungen erfolgreich isoliert und beschrieben. Interessanterweise sind drei der fünf neuen Verbindungen strukturell eng verwandt mit dem zyklischen Dilakton Colletodiol und seiner Derivate. Auch wenn Colletodiol und seine Derivate in vorherigen Studien bereits isoliert worden sind, beschreiben wir dessen lineare Derivate hier zum ersten Mal und schlagen vor, dass L-Phenylalanin ein Inhibior der Zyklisierung zum Colletodiol und seiner verwandten Dilactone sein könnte und dadurch zu den beschriebenen, alternativen Metaboliten führt. Bodenproben waren eine der frühen Quellen für die Isolation von Mikroorganismen. Weil die Reisolation von bekannten Organismen aus Bodenproben häufig under Standard-Laborbedingungen auftritt, haben sich Wissenschaftler mittlerweile mehr auf weniger untersuchte natürliche Quellen fokussiert. Fusarium oxysporum ist ein gut untersuchter mikrobieller Pilz, der oft mit Pflanzenerkrankungen als ein Pathogen assoziiert ist. Auch wenn in den letzten Jahrzehnten bereits eine Vielzahl von Verbindungen aus der Gattung Fusarium isoliert worden ist, haben jüngste Studien offengelegt, dass sich hinter dieser Gattung noch immer viel Potenzial für die Entdeckung neuer Naturstoffe verbirgt, die durch die Aktivierung stiller Gencluster zugänglich gemacht werden kann. Über die Nutzung des OSMAC-Konzeptes wurden Ko-Kultivierung mit fünf verschiedenen Bakterien auf Reismedium durchgeführt, um die stillen Gencluster zu aktivieren und so kryptische Sekundärmetabolite zugänglich zu machen. Die Ko-Kultivierung mit dem Bodenbakterium Paenibacillus ehimensis hat bereits im Wachstumsprozess einen deutlichen Einfluss gezeigt. Während die axenische Kultur von Fusarium oxysporum und die vier anderen Ko-Kultivierungen nur orange- bis rotgefärbte Bereiche innerhalb des Reismediums zeigten, führte die Ko-Kultivierung mit P. ehimensis zu dunkel violett gefärbten Arealen. Das HPLC-Chromatogramm hat hierbei eine deutliche Erhöhung des 9-O-methylfusarubin-Peaks gezeigt, welcher in hohen Konzentrationen zu dem Auftreten der dunklen Färbung führen könnte. Aus dem Rohextrakt der Ko-Kultivierung mit P. ehimensis wurden zehn Verbindungen isoliert, von denen drei bislang unbeschrieben sind. Zwei der drei neuen Verbindungen, die Fusapurpurin A und B genannt wurden, haben die 9-O-methylfusarubin-Grundstruktur, die durch eine Phenylpyruvateinheit erweitert worden ist und dadurch eine neue sturkturelle Unterklasse der Fusarubinderivate darstellt. Die Genomsequenzierung über das Nanopore-Verfahren zeigte ein Biosynthesecluster, welches für die Produktion der 9-O-methylfusarubin-Struktur verantwortlich sein könnte. Gene innerhalb dieses Clusters, die für eine L-aminosäure-Oxidase und für einen Aminosäuretransporter kodieren, unterstreichen den Vorschlag, dass Fusapurpurin A und B über die Verknüpfung von 9-O-methylfusarubin und eines strukturellen Derivats von L-Phenylalanin aufgebaut sein könnten. Interessanterweise haben die Fusapurpurine bereits bestehende Biofilme von Staphylococcus aureus und Pseudomonas aeruginosa aufgebrochen, während Fusapurpurin B diese Aktivität zusätzlich gegen Mycobacterium tuberculosis gezeigt hat. Dieses Projekt unterstreicht, dass neue Naturprodukte immer noch von ansonsten bereits gut untersuchten Mikroorganismen isoliert werden können. Das Potenzial des OSMAC-Konzeptes ist gewaltig und kann dazu beitragen, auch das Potenzial von bereits bekannten Spezies zu erhöhen und wiederaufleben zu lassen. Looking back on the last decades, we face a period with a lack of new antibiotics. Together with the increasing emergence of multi- and extensively drug-resistant pathogens, the discovery of new antimicrobial compounds becomes a key factor in not losing the race against AMR. Since we have an increasing rate of rediscovery in the research field of natural product isolation, it becomes important to go new routes. The focus on lesser investigated ecological niches, new cultivation strategies and activation of silent gene clusters is promising and provides us with nearly unlimited possibilities. Toxoplasma gondii is an apicomplexan parasite that can infect different warm-blooded animals and humans. Toxoplasmosis is a related infection that can cause severe damage in immunocompromised patients and lead to fetal abortion in pregnant women. Since therapeutic options are limited, the discovery of new anti-toxoplasma compounds with a low side effect profile is of special interest. In the study "In vitro biological activity of natural products from the endophytic fungus Paraboeremia selaginellae against Toxoplasma gondii” presented in chapter 4, the isolation of the endophytic fungus Paraboeremia selaginellae and the subsequent isolation of eight compounds from a culture on solid rice medium was accomplished. The structures were elucidated and 5S,6S-phomalactone VCD data were measured for the first time. All eight compounds were tested for antibacterial, cytotoxic, and anti-toxoplasma activity. Results showed that six of the eight compounds had moderate to good anti-toxoplasma activity while having a preferably good cytotoxic profile against the tested human cell lines. In chapter 5, the endophytic fungus Trichocladium sp was cultivated in an OSMAC-based approach on solid rice medium supplemented with high concentrations of the aromatic amino acid L-phenylalanine. From the crude extract, ten compounds were isolated and their structures were elucidated. In previous studies, supplementation with a high protein medium or the aromatic amino acid L-tyrosine already yielded new compounds. In this study, five new compounds were successfully isolated and described. Interestingly three of the five new compounds are structural precursors of the cyclic dilactone colletodiol and derivatives. Although colletodiol or closely related derivatives were isolated in the previous studies, we describe their linear derivatives for the first time and propose L-phenylalanine to be an inhibitor of the cyclisation of colletodiol and related cyclic dilactones, leading to additional alternative metabolites. Soil samples were one of the early sources for the isolation of microorganisms. Since the rediscovery of known microorganisms from soil samples happens frequently under standard lab conditions, researchers started to focus on lesser-investigated natural sources. Fusarium oxysporum is a well-investigated microbial fungus often associated with plant diseases as a pathogen. Even though a plethora of interesting compounds from the genus Fusarium was already isolated in the last decades, recent studies still reveal that there is a huge hidden treasure chest of unknown natural products that can be assessed by activation of silent BGCs. In chapter 6, we present our study of an F. oxysporum that was isolated from a soil sample. Employing the OSMAC concept, co-cultivation with five different bacteria was carried out on a solid rice medium to activate silent BGCs and reveal cryptic secondary metabolites. The co-cultivation with the soil-borne bacterium Paenibacillus ehimensis showed a strong shift in its macroscopic appearance on rice medium. While the axenic culture of F. oxysporum and the four other cocultivations only showed an orange to red colour inside the rice medium, the co-cultivation with P. ehimensis led to the appearance of dark purple coloured spots. The HPLC-chromatogram showed a strong increase in the production of 9-O-methylfusarubin, which in high concentrations could be connected to the appearance of the purple colour. From this crude extract, ten compounds were isolated and resulted in three yet undescribed structures. Two of the three new compounds, named fusapurpurin A and B had the 9-O-methylfusarubin core structure that was extended by a phenyl pyruvic acid moiety, leading to a new structural subclass of fusarubin derivatives. A nanopore whole genome sequencing approach revealed a biosynthetic gene cluster (BGC) that could be responsible for the synthesis of the 9-Omethylfusarubin core structure. Genes encoding for an amino acid transporter and a L-amino acid oxidase inside this BGC supported the hypothesis that fusapurpurin A and B are formed over a reaction of 9-O-methylfusarubin and a structural derivative of L-phenylalanine. Interestingly, these compounds disrupt pre-formed biofilms of Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa and, in the case of fusapurpurin B, Mycobacterium tuberculosis. This study underlines that new natural products can still be isolated from well-investigated microorganisms. The power of the OSMAC concept is immense and can help to increase and revive the potential of already-known species.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Pharmazie » Pharmazeutische Biologie und Biotechnologie
Dokument erstellt am:	13.04.2023
Dateien geändert am:	13.04.2023
Promotionsantrag am:	25.01.2023
Datum der Promotion:	31.03.2023