DE102004027335B4 - Sequences for the synthesis of antibacterial polyketides - Google Patents
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Abstract
Rekombinanter Expressionsvektor, dadurch gekennzeichnet, dass er die DNA-Sequenz SEQ-ID NO: 2 des Stammes Bacillus amyloliquefaciens FZB42 enthält.Recombinant expression vector, characterized in that it contains the DNA sequence SEQ ID NO: 2 of the strain Bacillus amyloliquefaciens FZB42.
Description
Die Erfindung betrifft DNA-Sequenzen, die für Polypeptide kodieren, die wiederum an der enzymatischen Biosynthese von Polyketidverbindungen beteiligt sind sowie die Aminosäure-Sequenzen der Polypeptide.The invention relates to DNA sequences which encode polypeptides which in turn are involved in the enzymatic biosynthesis of polyketide compounds and the amino acid sequences of the polypeptides.
Weiterhin betrifft die Erfindung die erstmalige Beschreibung von Synthesewegen für die Herstellung von Polyketidantibiotika aus Bacillus amyloliquefaciens FZB42. Dabei weist mindestens ein Polyketidantibiotikum eine spezifische Wirkung gegen Bakterien, vorzugsweise Gram-positive Bakterien auf, besitzt jedoch keine Hemmwirkung gegen eukaryotische Organismen.Furthermore, the invention relates to the first-time description of synthetic routes for the production of polyketide antibiotics from Bacillus amyloliquefaciens FZB42. At least one polyketide antibiotic has a specific activity against bacteria, preferably Gram-positive bacteria, but has no inhibiting action against eukaryotic organisms.
Die Anwendungsgebiete der Erfindung sind die Biologie, die Medizin und die Pharmazie.The fields of application of the invention are biology, medicine and pharmacy.
Stand der TechnikState of the art
Das sporenbildende Gram-positive Bakterium Bacillus amyloliquefaciens FZB42 fördert das Pflanzenwachstum und unterdrückt das Wachstum phytopathogener Mikroorganismen im Bereich der pflanzlichen Wurzelzone (Idriss et al. 2002. Microbiology 148: 2097–2109).The spore-forming Gram-positive bacterium Bacillus amyloliquefaciens FZB42 promotes plant growth and suppresses the growth of phytopathogenic microorganisms in the plant root zone (Idriss et al., 2002. Microbiology 148: 2097-2109).
Die Suppression des phytopathogenen Pilzes Fusarium oxysporum wird durch die kombinierte Wirkung der cyclischen Lipopeptide BacillomycinD und Fengycin verursacht. Die Sequenz für das BacillomycinD Operon weist auf das Vorhandensein von drei modularen Peptidsynthetasen BmyA, B und C in FZB42 hin (Borriss et al. unveröffentlichte Anmeldung Deutsches Patent- und Markenamt C12N 15/52-Akz. 10326394.2, diese Anmeldung wurde vor der Veröffentlichung zurückgenommen).The suppression of the phytopathogenic fungus Fusarium oxysporum is caused by the combined action of the cyclic lipopeptides bacillomycin D and fengycin. The sequence for the bacillomycin D operon indicates the presence of three modular peptide synthetases BmyA, B and C in FZB42 (Borriss et al., Unpublished application German Patent and Trademark Office C12N 15/52 Acc. 10326394.2, this application was withdrawn prior to publication ).
Durch Inaktivierung des BmyA kodierenden Gens wurde nicht nur die BacillomycinD Synthese sondern auch die antifungale Wirkung von FZB42 auf Fusarium oxysporum eliminiert. Dagegen blieb die antibakterielle Wirkung von Kulturfiltraten der FZB42-Mutanten auf Gram-negative und Gram-positive Bakterien bestehen. (Koumoutsi et al. 2004, J. Bacteriol. 186, 1084–1096).By inactivating the BmyA-encoding gene, not only the bacillomycin D synthesis but also the antifungal activity of FZB42 on Fusarium oxysporum was eliminated. In contrast, the antibacterial effect of culture filtrates of the FZB42 mutants on Gram-negative and Gram-positive bacteria persisted. (Koumoutsi et al., 2004, J. Bacteriol., 186, 1084-1096).
Die Ausschaltung der Fengycin- und Surfactinsynthese hatte keinen Einfluss auf die antibakterielle Wirkung von FZB42.The elimination of fengycin and surfactin synthesis did not affect the antibacterial activity of FZB42.
Eine antibakterielle Wirkung wurde bereits für verschiedene konjugierte Polyen-Antibiotika der Gattung Bacillus beschrieben (z. B. Zimmermann et al. 1987. J. Antibiotics 40: 1677–1681, Patel et al. 1995. J. Antibiotics 48, 997–1003).An antibacterial effect has already been described for various conjugated polyene antibiotics of the genus Bacillus (eg Zimmermann et al 1987. J. Antibiotics 40: 1677-1681, Patel et al., 1995. J. Antibiotics 48, 997-1003) ,
Gensequenzen, die die Synthese dieser antibakteriellen Wirkstoffe in Bacillus Biokontroll-Stämmen determinieren, sind jedoch nicht bekannt.However, gene sequences that determine the synthesis of these antibacterial agents in Bacillus biocontrol strains are not known.
Das verstärkte Auftreten von Antibiotika-resistenten pathogenen Mikroorganismen hat zu einer intensiven Suche nach neuen wirksamen antibakteriellen und antifungalen Verbindungen geführt. Von mindestens ebenso großer Bedeutung ist die Suche nach antiviralen Verbindungen.The increased occurrence of antibiotic-resistant pathogenic microorganisms has led to an intensive search for new effective antibacterial and antifungal compounds. At least as important is the search for antiviral compounds.
Dabei wird die Entdeckung neuer geeigneter Naturstoffe immer schwieriger. Neben dem Screening von natürlichen Produzentenstämmen verspricht die kombinatorische Biosynthese eine effiziente Alternative für die Entwicklung neuer wirksamer Medikamente zu werden.The discovery of new natural products is becoming increasingly difficult. In addition to the screening of natural producer strains, combinatorial biosynthesis promises to be an efficient alternative for the development of new effective drugs.
Polyketide und nichtribosomale Peptide sind zwei große Naturstoff-Familien, die zahlreiche klinisch bedeutsame Verbindungen beinhalten, z. B. antimikrobielle Verbindungen (Penicillin, Bacitracin, Erythromycin, Oleandomycin, Tylosin und Vancomycin), Immunsuppressiva (Cyclosporin, FK506 und Rapamycin) und Antitumorverbindungen (Doxorubicin, Bleomycin und Epothilone).Polyketides and nonribosomal peptides are two major natural product families that include numerous clinically important compounds, e.g. As antimicrobial compounds (penicillin, bacitracin, erythromycin, oleandomycin, tylosin and vancomycin), immunosuppressants (cyclosporin, FK506 and rapamycin) and antitumor compounds (doxorubicin, bleomycin and epothilones).
Polyketide sind eine Klasse von Sekundärmetaboliten mit bemerkenswerter Vielfalt in Struktur und Funktion, die sowohl antimikrobielle als auch antivirale und antiparasitische Eigenschaften aufweisen können.Polyketides are a class of secondary metabolites with remarkable diversity in structure and function that can exhibit both antimicrobial and antiviral and antiparasitic properties.
Ihr weites Aktivitätsspektrum macht sie zu einer der am meisten gesuchten Molekülgruppe in biologischen Screens. Z. B. ist das Polyketid Mupirocin für die Biokontroll-Funktion des Gram-negativen Bakteriums Pseudomonas fluorescens verantwortlich (El-Sayed et al. 2004. Chemistry & Biology 1: 419–430). Their broad spectrum of activity makes them one of the most sought-after molecular groups in biological screens. For example, the polyketide mupirocin is responsible for the biocontrol function of the Gram-negative bacterium Pseudomonas fluorescens (El-Sayed et al., 2004. Chemistry & Biology 1: 419-430).
Das Polyketid Bacillaen, das in bisher unbekannter Weise in einigen Bacillus subtilis Stämmen produziert wird, ist als Inhibitor der prokaryotischen Proteinsynthese bekannt und weist ein Molekulargewicht von 580 und eine empirisch ermittelte Summenformel von C35H48O7 auf. Im Agar-Diffusionstest ist Bacillaen gegen eine Vielzahl von Bakterien, nicht aber gegenüber eukaryotischen Organismen aktiv (Patel et al. 1995. Journal of Antibiotics 48, 997–1003).The polyketide bacillaen, which is produced in a hitherto unknown manner in some Bacillus subtilis strains, is known as an inhibitor of prokaryotic protein synthesis and has a molecular weight of 580 and an empirically determined empirical formula of C35H48O7. In the agar diffusion assay, bacillaen is active against a variety of bacteria but not against eukaryotic organisms (Patel et al., 1995. Journal of Antibiotics 48, 997-1003).
Durch Anwendung der „Suppression Subtractive Hybridization” (SSH) Methode wurden in FZB42 drei Gencluster identifiziert, die Homologie zu Polyketid-Synthasen aufwiesen (Koumoutsi et al. 2004. J. Bacteriol. 186). Eine Bestimmung der kompletten DNA Sequenzen sowie der translatierten Proteine erfolgte jedoch nicht. Ein Nachweis der Synthese von Polyketiden in Bacillus amyloliquefaciens bzw. einer damit verbundenen antibiotischen Aktivität wurde nicht durchgeführt. Es erfolgte keine Zuordnung der Polyketid-Synthase-Gencluster zur Synthese eines Polyketids.By applying the "suppression subtractive hybridization" (SSH) method, FZB42 identified three gene clusters homologous to polyketide synthases (Koumoutsi et al., 2004, J. Bacteriol, 186). A determination of the complete DNA sequences and the translated proteins did not occur. Evidence of the synthesis of polyketides in Bacillus amyloliquefaciens or an associated antibiotic activity was not performed. There was no assignment of the polyketide synthase gene cluster for the synthesis of a polyketide.
Die meisten Entwicklungen der kombinatorischen Biosynthese basieren auf Verbindungen, die durch modulare Polyketidsynthasen (PKSs) synthetisiert werden. Daneben werden auch nichtribosomalen Peptidsynthasen (NRPSs) und PKSs für die Synthese aromatischer Polyketide und für die kombinatorische Biosynthese eingesetzt.Most developments in combinatorial biosynthesis are based on compounds synthesized by modular polyketide synthases (PKSs). In addition, non-ribosomal peptide synthases (NRPSs) and PKSs are also used for the synthesis of aromatic polyketides and for combinatorial biosynthesis.
Kombinatorische Biosynthese beruht auf der genetischen Manipulation von Biosynthesewegen „klassischer” Antibiotika (z. B. von Lipopeptiden), die durch Polyketidsynthasen (PKS) bzw. nichtribosomalen Peptidsynthasen (NRPSs) synthetisiert werden.Combinatorial biosynthesis relies on the genetic manipulation of biosynthetic pathways of "classical" antibiotics (eg, lipopeptides) synthesized by polyketide synthases (PKSs) and nonribosomal peptide synthases (NRPSs), respectively.
Modulare PKSs und NRPSs sind polyfunktionelle „Megasynthasen”, die in repetitiven Einheiten oder „Modulen” organisiert sind. Jedes Modul ist für einen diskreten Schritt der Polyketid- oder Polypeptidkettenverlängerung verantwortlich.Modular PKSs and NRPSs are polyfunctional "megasynthases" organized in repetitive units or "modules". Each module is responsible for a discrete step of polyketide or polypeptide chain extension.
Da jedes Modul die funktionellen Domänen für die Erkennung, Aktivierung und Kondensation einer Substrataminosäure einschließlich der Stereospezifität determiniert, ist es möglich, neue Verbindungen durch Manipulation der Domänen oder Module zu synthetisieren.Since each module determines the functional domains for recognition, activation, and condensation of a substrate amino acid, including stereospecificity, it is possible to synthesize new compounds through manipulation of the domains or modules.
Da die Strukturen von Polyketiden sehr komplex und reich an Stereozentren sind, erlaubt diese Technik die Manipulation von Verbindungen, die durch Anwendung konventioneller, chemischer Methoden schwer zu erhalten sind (E. Rodriguez and R. Daniel. 2001. Combinatorial biosynthesis of antimicrobials and other natural products. Current Opinion in Microbiology 4: 526–534).Since the structures of polyketides are very complex and rich in stereocenters, this technique allows the manipulation of compounds that are difficult to obtain using conventional chemical methods (Rodriguez and R. Daniel 2001. Combinatorial biosynthesis of antimicrobials and other natural Products, Current Opinion in Microbiology 4: 526-534).
Voraussetzung für die Anwendung der kombinatorischen Neusynthese ist die Kenntnis der Gensequenzen, die für die erforderlichen PKSs und NRPSs kodieren und eines Wirtsstammes, der die stabile Expression großer heterologer DNA-Bereiche erlaubt.The prerequisite for the application of combinatorial resynthesis is the knowledge of the gene sequences which code for the required PKSs and NRPSs and of a host strain which allows the stable expression of large heterologous DNA regions.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Identifizierung und Charakterisierung von Genclustern im Genom des Bakteriums Bacillus amyloliquefaciens FZB42, die für die Synthese von Polyketiden verantwortlich sind sowie die Identifizierung von Synthesewegen für Polyketidantibiotika. Eine weitere Aufgabe der Erfindung war die Identifizierung von Polyketidantibiotika, die auf diesen Synthesewegen hergestellt werden.The object of the present invention was the identification and characterization of gene clusters in the genome of the bacterium Bacillus amyloliquefaciens FZB42, which are responsible for the synthesis of polyketides, as well as the identification of synthetic pathways for polyketide antibiotics. Another object of the invention was the identification of polyketide antibiotics produced by these synthetic routes.
Die Erfindung wird gemäß den Ansprüchen realisiert.The invention is realized according to the claims.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind DNA-Sequenzen, die für Polypeptide kodieren, die wiederum an der enzymatischen Biosynthese von Polyketidverbindungen beteiligt sind sowie die Aminosäure-Sequenzen der Polypeptide.The present invention relates to DNA sequences which code for polypeptides, which in turn are involved in the enzymatic biosynthesis of Polyketidverbindungen and the amino acid sequences of the polypeptides.
Weiterhin betrifft die Erfindung die Beschreibung von Synthesewegen für die Herstellung von Polyketidantibiotika aus Bacillus amyloliquefaciens FZB42. Dabei weist mindestens ein Polyketidantibiotikum eine spezifische Wirkung gegen Bakterien, vorzugsweise Gram-positive Bakterien auf, besitzt jedoch keine Hemmwirkung gegen eukaryotische Organismen.Furthermore, the invention relates to the description of synthetic routes for the production of polyketide antibiotics from Bacillus amyloliquefaciens FZB42. At least one polyketide antibiotic has a specific activity against bacteria, preferably Gram-positive bacteria, but has no inhibiting action against eukaryotic organisms.
In dem Stamm FZB42 wurden drei Gencluster für die Synthese von Polyketiden identifiziert und durch Sequenzanalyse vollständig charakterisiert. In strain FZB42, three gene clusters for the synthesis of polyketides have been identified and fully characterized by sequence analysis.
Im Genom des Bakteriums Bacillus amyloliquefaciens (Stamm FZB42) konnten überraschenderweise die DNA-Sequenzen mit den SEQ-ID NO: 1, 2 und 3 identifiziert und charakterisiert werden. Die DNA-Sequenzen kodieren für Polypeptide, die wiederum an der enzymatischen Biosynthese von Polyketidverbindungen mit antibakterieller Wirkung beteiligt sind.Surprisingly, in the genome of the bacterium Bacillus amyloliquefaciens (strain FZB42), the DNA sequences with SEQ ID NO: 1, 2 and 3 could be identified and characterized. The DNA sequences encode polypeptides, which in turn are involved in the enzymatic biosynthesis of polyketide compounds having antibacterial activity.
Umfangreiche Untersuchungen ergaben, dass die Expressionsprodukte der Sequenz mit der SEQ-ID NO: 1 die enzymatische Biosynthese des antibakteriellen Polyketids Bacillaen bewirken. Die Expressionsprodukte der Sequenz mit der SEQ-ID NO: 2 bewirken die enzymatische Biosynthese der antibakteriellen Polyketide Difficidin und/oder Oxydifficidin und die Expressionsprodukte der Sequenz mit der SEQ-ID NO: 3 sind für die Synthese eines bisher nicht bekannten antibakteriellen Polyketids verantwortlich.Extensive investigations have shown that the expression products of the sequence SEQ ID NO: 1 cause the enzymatic biosynthesis of the antibacterial polyketide Bacillaen. The expression products of the sequence SEQ ID NO: 2 cause the enzymatic biosynthesis of the antibacterial polyketides difficidin and / or oxydifficidin and the expression products of the sequence SEQ ID NO: 3 are responsible for the synthesis of a previously unknown antibacterial polyketide.
Die Erfindung umfaßt darüber hinaus einen rekombinanten Expressionsvektor, dadurch gekennzeichnet, dass er die DNA-Sequenz SEQ-ID NO: 2 des Stammes Bacillus amyloliquefaciens FZB42 enthält. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass Zellen mit einem rekombinanten Expressionsvektor, der die DNA-Sequenz SEQ-ID NO: 2 des Stammes Bacillus amyloliquefaciens FZB42 enthält transformiert oder tranfiziert werden, die Zellen in einem geeigneten Kulturmedium kultiviert werden und die Polyketidverbindung aus dem Kulturüberstand isoliert wird.The invention further comprises a recombinant expression vector, characterized in that it contains the DNA sequence SEQ ID NO: 2 of the strain Bacillus amyloliquefaciens FZB42. The invention also relates to a method, characterized in that cells are transformed or transfected with a recombinant expression vector containing the DNA sequence SEQ ID NO: 2 of the strain Bacillus amyloliquefaciens FZB42, the cells are cultured in a suitable culture medium and the polyketide compound isolated from the culture supernatant.
Mit diesem Verfahren können die Polyketide Difficidin und/oder Oxydifficidin mit antibakterieller Wirkung hergestellt werden.With this method, the polyketides difficidin and / or oxydifficidin can be produced with antibacterial activity.
Weiterhin umfaßt die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Expressionsvektors, der die DNA-Sequenz SEQ-ID NO: 2 des Stammes Bacillus amyloliquefaciens FZB42 enthält zur kombinatorischen Neusynthese von Difficidin und/oder Oxydifficidin, die eine verbesserte Stabilität und/oder Wirkung gegenüber phyto-, tier- und/oder humanpathogenen Bakterien aufweisen.Furthermore, the invention encompasses the use of the expression vector according to the invention, which contains the DNA sequence SEQ ID NO: 2 of the strain Bacillus amyloliquefaciens FZB42 for the combinatorial re-synthesis of difficidin and / or oxydifficidin, which has an improved stability and / or action against phyto- animal - and / or human pathogenic bacteria.
Die Aminosäure-Sequenzen von Polypeptiden, die an der enzymatischen Biosynthese von Polyketidverbindungen beteiligt sind, umfassend die Sequenzen mit den SEQ-ID NO: 4 bis 42 sowie die Verwendung der Aminosäure-Sequenzen zur kombinatorischen Neusynthese von Polyketiden, die eine verbesserte Stabilität und/oder Wirkung gegenüber phyto-, tier- und/oder humanpathogenen Bakterien aufweisen, sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung.The amino acid sequences of polypeptides involved in the enzymatic biosynthesis of polyketide compounds comprising the sequences of SEQ ID NOs: 4 to 42 and the use of the amino acid sequences for combinatorial resynthesizing of polyketides, which have improved stability and / or Have activity against phyto-, animal and / or human pathogenic bacteria are also the subject of the invention.
Die modularen Anordnung von Typ1-Polyketid-Synthasen erlaubt die gezielte Manipulation der nichtribosomalen Proteinmatrizen und befähigt somit erfindungsgemäß zum rationalen Design neuer Polyketidantibiotika.The modular arrangement of
Funktionelle Hybrid-Matrizen können in vitro und in vivo hergestellt werden. Zahlreiche modifizierende Enzyme (z. B. Reduktasen, Dehydratasen, Methyltransferasen) aus einem der drei in FZB42 vorhandenen PKS-Cluster können ebenfalls für die kombinatorische Biosynthese neuer Polyketidwirkstoffe eingesetzt werden.Functional hybrid templates can be made in vitro and in vivo. Numerous modifying enzymes (eg reductases, dehydratases, methyltransferases) from one of the three PKS clusters present in FZB42 can also be used for the combinatorial biosynthesis of new polyketide agents.
Weiterhin erlaubt die natürliche Kompetenz für DNA-Aufnahme und Rekombination und die Kenntnis der DNA-Sequenzen bei FZB42 den gezielten Einsatz stärkerer und regulierbarer Promotoren um die Produktausbeute zu steigern.Furthermore, the natural competence for DNA uptake and recombination and the knowledge of the DNA sequences in FZB42 allows the targeted use of stronger and regulatable promoters to increase the product yield.
Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert und durch Ausführungsbeispiele belegt, ohne dass diese Erläuterungen eine einschränkende Wirkung hätten.The invention is explained in more detail below and illustrated by embodiments, without these explanations would have a restrictive effect.
Antibakterielle Aktivität von FZB42Antibacterial activity of FZB42
Kulturfiltrate von FZB42 nach 24 h bzw. 48 h Kultur weisen sowohl antibakterielle Aktivität gegenüber den meisten überprüften Bakterien, als auch antifungale Aktivität (Arxula adeninovorans, Saccharomyces cerevisiae) auf. Die höchste Empfindlichkeit wurde bei Gram-positiven Bakterien (Ausnahme Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus) beobachtet. Auch die überprüften Vertreter der α-Proteobakterien wurden durch das Kulturfiltrat von FZB42 deutlich gehemmt. Dagegen waren Vertreter der Enterobakterien und andere Repräsentanten der γ-Proteobakterien relativ unempfindlich (siehe Tabelle 1). Tabelle 1: Hemmung von Mikroorganismen durch Kulturfiltrate von FZB42 (24 und 48 h Wachstum). Der Durchmesser der Hemmzonen ist in cm angegeben.
2 Bestimmung nach 8 Tagen Wachstum auf Blutagar
2 Determination after 8 days growth on blood agar
Im Kulturfiltrat von FZB42 und in Mutanten, in denen die Synthese der antifungal wirkenden Lipopeptide BacillomycinD, Fengycin und Surfactin ausgeschaltet wurde, konnte überraschenderweise eine spezifische antibakterielle Wirkung, insbesondere gegenüber Gram-positiven Bakterien (u. a, Bacillus sp., Streptomyces sp., Streptococcus sp.) nachgewiesen werden.In the culture filtrate of FZB42 and in mutants in which the synthesis of the antifungal-acting lipopeptides bacillomycin D, fengycin and surfactin was eliminated, surprisingly, a specific antibacterial activity, in particular against Gram-positive bacteria (inter alia, Bacillus sp., Streptomyces sp., Streptococcus sp.).
Durch Ausschaltung der pks3-Gensequenz in der Mutante CH8 wurde der antibakterielle Effekt gegen die genannten Bakterienweitgehend aufgehoben. Dieser Befund beweist, dass durch die Polyketidsynthetasen des pks3 Genclusters ein Polyketid mit spezifischer antibakterieller Wirkung synthetisiert wird. Eine chemische Charakterisierung des Polyketids durch Massenspektroskopie war bisher nicht möglich. Eine Ähnlichkeit zu den bisher aus Bacillus beschriebenen Polyketiden (Bacillaen und Difficidin/Oxydifficidin) konnte jedoch ausgeschlossen werden.By eliminating the pks3 gene sequence in the mutant CH8, the antibacterial effect against the bacteria mentioned was largely abolished. This finding demonstrates that the polyketide synthetases of the pks3 gene cluster are used to synthesize a polyketide with specific antibacterial activity. A chemical Characterization of the polyketide by mass spectroscopy was previously not possible. A similarity to the previously described from Bacillus polyketides (Bacillaen and Difficidin / Oxydifficidin) could be excluded.
Im Kulturfiltrat des Bakteriums Bacillus amyloliquefaciens FZB42 und einzelnen Mutanten konnten überraschenderweise die Polyketide Bacillaen und Difficidin/Oxydifficidin nachgewiesen werden.Surprisingly, the polyketides bacillaen and difficidin / oxydifficidin could be detected in the culture filtrate of the bacterium Bacillus amyloliquefaciens FZB42 and individual mutants.
Nach Auftrennung des Kulturfiltrats von FZB42 durch HPLC konnte in dem nach 18 min. Retentionszeit eluierten Peak durch Electrospray-Massenspektroskopie (ESM) ein Peak mit m/z von 581.1 nachgewiesen werden, der dem Bacillaen entspricht. Die höchste Intensität dieses Peaks wurde nach 48 h Kultur in Landy-Medium beobachtet.After separation of the culture filtrate of FZB42 by HPLC could in the after 18 min. Retention time eluted peak detected by electrospray mass spectrometry (ESM) a peak with m / z of 581.1, which corresponds to the bacillaen. The highest intensity of this peak was observed after 48 h of culture in Landy's medium.
Ein optimierter Wirkstoff auf der Basis des Polyketids Bacillaen stellt eine Alternative bei dem Einsatz gegen pathogene Gram-positive Bakterien der Gattungen Staphylococcus sp. und Streptococcus sp. dar, deren medizinische Behandlung durch die sich rasant verbreitende Multiresistenz gegenüber herkömmlichen Antibiotika zunehmend erschwert wird.An optimized drug based on the polyketide Bacillaen represents an alternative in the use against pathogenic gram-positive bacteria of the genera Staphylococcus sp. and Streptococcus sp. whose medical treatment is increasingly complicated by the rapidly spreading multidrug resistance compared to conventional antibiotics.
Hinzu kommt, dass das pks3-Polyketid keine Inhibition eukaryotischer Zellen verursacht und somit potentiell für den Einsatz im humanen Bereich geeignet ist.In addition, the pks3 polyketide does not cause any inhibition of eukaryotic cells and is therefore potentially suitable for use in the human field.
Diese besonders vorteilhafte Eigenschaft konnte dadurch belegt werden, dass in der Mutante CH8 keine Reduktion der antifungalen Wirkung gegenüber Fusarium oysporum oder Saccharomyces cerevisiae verursacht wurde.This particularly advantageous property could be demonstrated by the fact that in the mutant CH8 no reduction of the antifungal activity against Fusarium oysporum or Saccharomyces cerevisiae was caused.
Zur Identifizierung der für die antibakterielle Aktivität möglicherweise verantwortlichen Gencluster (pks1, pks2, pks3) wurden alle drei Gencluster komplett sequenziert (SEQ-ID NO: 1 = pks1, SEQ-ID NO: 2 = pks2, und SEQ-ID NO: 3 = pks3) und durch Homologie-Sequenzvergleich weiter charakterisiert.To identify the gene cluster (pks1, pks2, pks3) possibly responsible for the antibacterial activity, all three gene clusters were completely sequenced (SEQ ID NO: 1 = pks1, SEQ ID NO: 2 = pks2, and SEQ ID NO: 3 = pks3) and further characterized by homology sequence comparison.
Genomanalyse: pks-GenclusterGenome analysis: pks gene cluster
An verschiedenen Positionen im Genom von B. amyloliquefaciens FZB42 wurden drei große Gencluster mit Homologie zu dem Polyketidsynthase-Operon (pksX) von B. subtilis (Albertini et al. 1995. Microbiology 141, 299–309) nachgewiesen. Pks1 (SEQ-ID NO: 1, 72612 bp, Tab. 2 und 7), pks2 (SEQ-ID NO: 2, 53724 bp, Tab. 3 und 8) und pks3 (SEQ-ID NO: 3, 74700, Tab. 4 und 9) weisen strukturelle Gemeinsamkeiten auf und sind wahrscheinlich durch Genduplikation aus einem gemeinsamen Vorfahren entstanden.At various positions in the genome of B. amyloliquefaciens FZB42, three large gene clusters with homology to the polyketide synthase operon (pksX) of B. subtilis (Albertini et al., 1995. Microbiology 141, 299-309) were detected. Pks1 (SEQ ID NO: 1, 72612 bp, Tab. 2 and 7), pks2 (SEQ ID NO: 2, 53724 bp, Tab. 3 and 8) and pks3 (SEQ ID NO: 3, 74700, Tab 4 and 9) have structural similarities and are probably the result of gene duplication from a common ancestor.
Konstruktion von gene-knock-out Mutanten in FZB42Construction of gene-knock-out mutants in FZB42
Die Ausschaltung der Genexpression erfolgte durch Kassettenmutagenese in das jeweils erste Keto-Synthase Modul (KS) unter Verwendung von Erythromycin-(EmR) und Chloramphenicol-Resistenz (CmR) vermittelnder Gene (Koumoutsi et al. 2004. J. Bacteriol. 186, 1084–1096). pMX39 (EmR) wurde mit SpeI verdaut. Das resultierende 2.9 kb Fragment wurde mit HindIII verdaut und ein 1.8 kb emrAM Fragment erhalten. emrAM wurde in die Polylinker-region von HindIII verdauten pUC18 inseriert. Das Plasmid (pUCemR) wurde für die weiteren Geninsertionsexperimente zur Einführung der Erythromycin-Resistenz genutzt. Ein 1.8 kb Fragment mit dem CmR-Markergen wurde durch SphI and HindIII Verdau aus pDG268 erhalten und in pUC18 kloniert. In dem resultierende Plasmid (pUCcmR) war das CmR-Gen durch die Polylinker-Region von pUC18 flankiert. Unter Nutzung der Primer pks1Up5'-AAAGGAGCGGAGTGCAACATC und pks1Dw 5'-TGAGATGATGCCGTCCTCTTC, wurde ein 3.3 kb Fragment durch PCR amplifiziert und in den Vektor pGEM-T kloniert. Dieser wurde mit EcoRI and HpaI verdaut und ein 1,4 kb Fragment mit der ersten KS-Domäne (KS1, Tabelle 2) entfernt. Das CmR-Gen aus EcoRI/SmaI geschnittenen pUCcmR wurde inseriert und das Plasmid pCH6 erhalten. Nach Linearisierung durch ScaI wurde das Plasmid in kompetente B. amyloliquefaciens FZB42 Zellen (Koumoutsi et al. 2004. J.Bacteriol. 186, 1084–1096) transformiert. Durch Gensubstitution via homologe Rekombination wurde die CmR pks1 Mutante CH6 erhalten. Ein 3.0 kp PCR Fragment mit dem 5' Teil des pks2-Operons wurde durch die Primer pks2Up 5'-AGCTCATTGACAGCGATGCTGC and pks2Dw 5'-ATGATCGCCGCTTCCTCATCAG erhalten und in den Vector pGEMT kloniert. Ein 1.3 kb Fragment mit der ersten KS-Domäne von pks2 (KS1, Tab. 3), wurde durch EcoRI und KpnI herausgeschnitten und durch das 1.3 kb CmR Gen aus pUCCmR ersetzt. Nach Linearisierung mit ScaI wurden kompetente FZB42 Zellen transformiert und die CmR pks2 knock out Mutante CH7 erhalten. Das pks3 Gen wurde durch Insertion einer EmR cassette aus pUCemR zerstört. Ein 2.2 kb pks3 Genfragment wurde mit den Primer pks3Up 5'-ACATTGACCGCATCCTCAATCTG und pks3Dw 5'-TCAGCTGCTGTTCGGAATGTG amplifiziert und in den Vektor pGEM-T kloniert. Durch Verdau mit EcoRI und Eco72I wurde ein 376 bp Fragment in der Mitte der amplifizierten Region entfernt. Die ermAM Kassette (1.9 kb) wurde von pUCemR durch EcoRI/PvuII Verdau erhalten und inseriert. Das resultierende Plasmid pCH8 wurde mit ApaI linearisiert und in kompetente FZB42 Zellen transformiert. Die EmR pks3 Mutante CH8 wurde erhalten. Die genetische Konfiguration der Mutanten wurde durch PCR der chromosomalen DNA mit den spezifischen Primer bestätigt. Tabelle 5: Stämme und Plasmide. Für die Herstellung der gewünschten Knockout-Stämme wurden die Plasmide pCH6, pCH7 und pCH8 zur Transformation in FZB42 eingesetzt.
Antibakterielle und antifungale Aktivität von Gen-Knock-out MutantenAntibacterial and antifungal activity of gene knock-out mutants
Bei Ausschaltung des pks3 Gens durch Kassetten-Mutagenese wurde nahezu die gesamte antibakterielle Aktivität in dem Mutantenstamm CH8 ausgeschaltet (Indikatorstamm B. megaterium,
Durch Domänen-Shuffling innerhalb der drei pks-Gencluster in FZB 42 besteht die Möglichkeit zur Synthese „massgeschneiderter” Polyketide, die eine verbesserte Haltbarkeit und Wirksamkeit gegenüber den pathogenen Zielmikroorganismen aufweisen. Da alle drei Polyketide keine Wirksamkeit gegenüber den eingesetzten eukaryotischen Modellorganismen S. cerevisiae und Fusarium oxysporum aufwiesen ist der Einsatz der Wirkstoffe auch im medizinischen Bereich möglich. Tab. 6: Antibakterielle, antifungale und hämolytische Aktivität von Gen-knock-out Mutanten. Herstellung der Mutanten CH6, CH7 und CH8 s. o. Übrige Mutanten wie beschrieben (Koumoutsi et al. 2004, J. Bacteriol., 186, 1084–1096)
4 nicht bestimmt Tabelle 7: Das pks1-Genkluster von Bacillus amyloliquefaciens FZB42 Quelle: SEQ-ID-NO: 1, GenBank Accession Number: AJ634060, Länge: 72612 bp, beinhaltet das pks1-Operon (bp1...71249) Gene des Bacillus amyloliquefaciens pks1 Operons (pks1B, C, D, E, F, G, H, I, J, L, M, N, R) und das pks1S Gen
4 not determined Table 7: The pks1 gene cluster of Bacillus amyloliquefaciens FZB42 Source: SEQ ID NO: 1, GenBank Accession Number: AJ634060, length: 72612 bp, contains the pks1 operon (bp1 ... 71249) genes of Bacillus amyloliquefaciens pks1 operon (pks1B, C, D, E, F, G, H, I, J, L, M, N, R) and the pks1S gene
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