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) ,

US 4 681 846 A beschreibt Difficidin als antibakterielles Mittel und offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Difficidin und daraus abgeleitete antibakterielle Verbindungen aus Bacillus subtilis. US Pat. No. 4,681,846 describes difficidin as an antibacterial agent and discloses a process for producing difficidin and antibacterial compounds derived therefrom from Bacillus subtilis.

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 type 1 polyketide synthases allows the targeted manipulation of non-ribosomal protein matrices and thus enables the rational design of new polyketide antibiotics according to the invention.

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. Stamm 24 h 48 h taxon Bacillus subtilis - - 0,3 trüb Gram+ lowGC Bacillus megaterium 1,3 klar 1,1 klar Gram+ lowGC Paenibacillus larvae larvae 11 klar 1,32 klar Gram+ lowGC Streptococcus faecalis 0,8 klar 0,6 klar Gram+ lowGC Micrococcus luteus - - 0,5 klar Gram+ lowGC Staphylococcus aureus - - - - Gram+ lowGC Arthrobacter spec. 0,7 klar 0,9 klar Gram+ lowGC Streptomyces coelicolor 40/233 1,6 klar 1,2 klar Gram+ highGC Streptomyces viridochromogenes 40110 1,6 klar 1,2 klar Gram+ highGC Streptomyces F2 0,8 klar 0,8 klar Gram+ highGC Agrobacterium tumefaciens 0,4 klar 0,9 klar α-proteobacteria Agrobacterium tumefaciens AGL1 0,5 klar 1 klar α-proteobacteria Flavobacterium spec. 0,3 trüb 0,3 trüb α-proteobacteria Acinetobacter spec. - - - - α-proteobacteria Klebsiella terrigena 0,3 klar 0,2 klar γ-proteobacteria Klebsiella pneumoniae 0,2 trüb 0,2 klar γ-proteobacteria Enterobacter spec. 0,3 trüb - - γ-proteobacteria Erwinia carotovora 0,3 trüb 0,4 trüb γ-proteobacteria Serratia marcescens 0,6 klar 0,5 klar γ-proteobacteria Proteus vulgaris 0,2 trüb 0,2 trüb γ-proteobacteria 1 Bestimmung nach 5 Tagen Wachstum auf Blutagar
2 Bestimmung nach 8 Tagen Wachstum auf Blutagar Pseudomonas aeruginosa 0,2 trüb 0,4 trüb γ-proteobacteria Pseudomonas fluorescens 0,5 trüb 0,4 trüb γ-proteobacteria Pseudomonas fluorescens 15 0,2 trüb - - γ-proteobacteria Pseudomonas aureofaciens PS49 - - - - γ-proteobacteria Pseudomonas putida 62 - - - - γ-proteobacteria Pseudomonas spec. 14a 0,3 trüb 0,2 klar γ-proteobacteria Pseudomonas spec. 20 0,4 klar 0,3 klar γ-proteobacteria Pseudomonas spec. 79 - - - - γ-proteobacteria Pseudomonas spec. K19 - - - - γ-proteobacteria Arxula adeninovorans 0,2 klar 0,6 klar Hefen Saccharomyces cerevisiae 1,2 klar 1,1 klar Hefen
Culture filtrates of FZB42 after 24 h or 48 h culture have both antibacterial activity against most of the tested bacteria and antifungal activity (Arxula adeninovorans, Saccharomyces cerevisiae). The highest sensitivity was observed in Gram-positive bacteria (except Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus). The verified representatives of the α-proteobacteria were also clearly inhibited by the culture filtrate of FZB42. In contrast, representatives of enterobacteria and other representatives of γ-proteobacteria were relatively insensitive (see Table 1). Table 1: Inhibition of microorganisms by culture filtrates of FZB42 (24 and 48 h growth). The diameter of the zones of inhibition is given in cm. tribe 24 hours 48 h taxon Bacillus subtilis - - 0.3 cloudy Gram + lowGC Bacillus megaterium 1.3 clear 1.1 clear Gram + lowGC Paenibacillus larvae larvae 1 1 clear 1,3 2 clear Gram + lowGC Streptococcus faecalis 0.8 clear 0.6 clear Gram + lowGC Micrococcus luteus - - 0.5 clear Gram + lowGC Staphylococcus aureus - - - - Gram + lowGC Arthrobacter spec. 0.7 clear 0.9 clear Gram + lowGC Streptomyces coelicolor 40/233 1.6 clear 1.2 clear Gram + highGC Streptomyces viridochromogenes 40110 1.6 clear 1.2 clear Gram + highGC Streptomyces F2 0.8 clear 0.8 clear Gram + highGC Agrobacterium tumefaciens 0.4 clear 0.9 clear α-proteobacteria Agrobacterium tumefaciens AGL1 0.5 clear 1 clear α-proteobacteria Flavobacterium spec. 0.3 cloudy 0.3 cloudy α-proteobacteria Acinetobacter spec. - - - - α-proteobacteria Klebsiella terrigena 0.3 clear 0.2 clear γ-proteobacteria Klebsiella pneumoniae 0.2 cloudy 0.2 clear γ-proteobacteria Enterobacter spec. 0.3 cloudy - - γ-proteobacteria Erwinia carotovora 0.3 cloudy 0.4 cloudy γ-proteobacteria Serratia marcescens 0.6 clear 0.5 clear γ-proteobacteria Proteus vulgaris 0.2 cloudy 0.2 cloudy γ-proteobacteria 1 determination after 5 days growth on blood agar
2 Determination after 8 days growth on blood agar Pseudomonas aeruginosa 0.2 cloudy 0.4 cloudy γ-proteobacteria Pseudomonas fluorescens 0.5 cloudy 0.4 cloudy γ-proteobacteria Pseudomonas fluorescens 15 0.2 cloudy - - γ-proteobacteria Pseudomonas aureofaciens PS49 - - - - γ-proteobacteria Pseudomonas putida 62 - - - - γ-proteobacteria Pseudomonas spec. 14a 0.3 cloudy 0.2 clear γ-proteobacteria Pseudomonas spec. 20 0.4 clear 0.3 clear γ-proteobacteria Pseudomonas spec. 79 - - - - γ-proteobacteria Pseudomonas spec. K19 - - - - γ-proteobacteria Arxula adeninovorans 0.2 clear 0.6 clear yeasts Saccharomyces cerevisiae 1.2 clear 1.1 clear yeasts

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. Beschreibung, Resistenz B. amyloliquefaciens Stämme Quelle/Herstellung FZB42 Produzent von Surfactin, Fengycin, Bacillomycin FZB Biotech GmbH Berlin CH6 Δpks1 :: Cmr pCH6 → FZB42 CH7 Δpks2 :: Cmr pCH7 → FZB42 CH8 Δpks3 :: Emr pCH8 → FZB42 Plasmide pMX39 ApR, Emr, Tetr Derivat von pDB101 pDG364 amyE ApR, CmR Integrativer Vektor pGEM-T Cloning Vector, ApR Labor Kollektion pUC18 Cloning Vector, ApR Labor Kollektion pUCemR pUC18 mit erm_amp, ApR pUCcmR pUC18 mit cat, AmpR, CmR pCH6 pGEM-T mit einem 1.9 kb Fragment von pks1 :: Cmr, ApR pCH7 pGEM-T mit einem 1.7 kb fragment from pks2 :: Cmr, ApR pCH8 pGEM-T mit einem 1.8 kb fragment from pksf3 :: Emr, ApR Gene expression was eliminated by cassette mutagenesis into the respective first keto-synthase module (KS) using erythromycin (Em R ) and chloramphenicol-resistance (Cm R ) -mediating genes (Koumoutsi et al., 2004. J. Bacteriol. 1084 to 1096). pMX39 (Em R ) was digested with SpeI. The resulting 2.9 kb fragment was digested with HindIII and a 1.8 kb emrAM fragment obtained. emrAM was inserted into the polylinker region of HindIII digested pUC18. The plasmid (pUCemR) was used for further gene insertion experiments to introduce erythromycin resistance. A 1.8 kb fragment with the CmR marker gene was obtained by SphI and HindIII digestion from pDG268 and cloned into pUC18. In the resulting plasmid (pUCcmR), the Cm R gene was flanked by the polylinker region of pUC18. Using the primers pks1Up5'-AAAGGAGCGGAGTGCAACATC and pks1Dw 5'-TGAGATGATGCCGTCCTCTTC, a 3.3 kb fragment was amplified by PCR and cloned into the vector pGEM-T. This was digested with EcoRI and HpaI and a 1.4 kb fragment with the first KS domain (KS1, Table 2) was removed. The Cm R gene from EcoRI / SmaI cut pUCcmR was inserted and the plasmid pCH6 was obtained. After linearization by ScaI, the plasmid was transformed into competent B. amyloliquefaciens FZB42 cells (Koumoutsi et al., 2004. J.Bacteriol., 186, 1084-1096). Gene substitution via homologous recombination yielded the Cm R pks1 mutant CH6. A 3.0 kp PCR fragment containing the 5 'portion of the pks2 operon was obtained by the primers pks2Up 5'-AGCTCATTGACAGCGATGCTGC and pks2Dw 5'-ATGATCGCCGCTTCCTCATCAG and cloned into the vector pGEMT. A 1.3 kb fragment with the first KS domain of pks2 (KS1, Tab. 3) was excised by EcoRI and KpnI and replaced by the 1.3 kb Cm R gene from pUCCmR. After linearization with ScaI, competent FZB42 cells were transformed and the Cm R pks2 knock out mutant CH7 was obtained. The pks3 gene was destroyed by insertion of an Em R cassette from pUCemR. A 2.2 kb pks3 gene fragment was amplified with the primers pks3Up 5'-ACATTGACCGCATCCTCAATCTG and pks3Dw 5'-TCAGCTGCTGTTCGGAATGTG and inserted into the vector pGEM-T cloned. Digestion with EcoRI and Eco72I removed a 376 bp fragment in the middle of the amplified region. The ermAM cassette (1.9 kb) was obtained from pUCemR by EcoRI / PvuII digestion and inserted. The resulting plasmid pCH8 was linearized with ApaI and transformed into competent FZB42 cells. The EmR pks3 mutant CH8 was obtained. The genetic configuration of the mutants was confirmed by PCR of the chromosomal DNA with the specific primers. Table 5: Strains and plasmids. For the production of the desired knockout strains, the plasmids pCH6, pCH7 and pCH8 were used for the transformation into FZB42. Description, resistance B. amyloliquefaciens strains Source / Production FZB42 Producer of surfactin, fengycin, bacillomycin FZB Biotech GmbH Berlin CH6 Δpks1 :: Cmr pCH6 → FZB42 CH7 Δpks2 :: Cmr pCH7 → FZB42 CH8 Δpks3 :: Emr pCH8 → FZB42 plasmids pMX39 Ap R , Emr, Tetr Derivative of pDB101 pDG364 amyE Ap R, Cm R Integrative vector pGEM-T Cloning Vector, Ap R Laboratory collection pUC18 Cloning Vector, Ap R Laboratory collection pUCemR pUC18 with erm_amp, Ap R pUCcmR pUC18 with cat, Amp R , Cm R pCH6 pGEM-T with a 1.9 kb fragment of pks1 :: Cmr, Ap R pCH7 pGEM-T with a 1.7 kb fragment from pks2 :: Cmr, Ap R pCH8 pGEM-T with a 1.8 kb fragment from pksf3 :: Emr, Ap R

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, ). Dagegen wies die pks2 Mutante CH7 unverändert antibakterielle Aktivität gegenüber den eingesetzten Indikatorstämmen Bacillus megaterium und Arthrobacter spec. auf. Beide Mutanten waren in ihrer antifungalen Wirkung (Saccharomyces cerevisiae, Fusarium oxysporum) gegenüber dem Wildtyp nicht verändert. Umgekehrt war keiner der Lipopeptidsynthese-Mutanten (AK1, AK2, AK3, CH1, CH2, CH3) in der Wirkung gegenüber Bacillus megaterium und Arthrobacter spec. beeinflusst. Die Ausschaltung des sfp-Gens, das für eine Phosphopantetheinyl Transferase kodiert, hat den Ausfall der Synthese biologisch aktiver Lipopeptide und Polyketide zur Folge (Tab. 5). Von besonderem Interesse ist der Effekt der yczE-Mutation (CH4) durch die sowohl die Synthese von Lipopeptiden der Iturin-Familie als auch der Polyketide unterbunden wird. Der Ausfall der Synthese von Bacillomycin D in CH4 (yczE), und von BacillomycinD, Fengycin und Surfactin in der sfp, yczE Doppelmutante CH5 konnte durch Matrix-unterstützte Laser Desorptions-Ionisations-Flugzeit Massenspektroskopie (MALDI TOF MS) nachgewiesen werden. Der Ausfall der Synthese von Bacillaen und Difficidin/Oxydifficidin in CH4 (yczE), und von BacillomycinD, Fengycin und Surfactin in der sfp, yczE Doppelmutante CH5 konnte durch Matrix-unterstützte Laser Desorptions-Ionisations-Flugzeit Massenspektroskopie (MALDI TOF MS) nachgewiesen werden. Die entsprechende Untersuchung der Kulturfiltrate der pks-Mutanten (CH6-CH8) ergab, dass das pks1 Gencluster die Synthese von Bacillaen und das pks2-Gencluster die Synthese von Difficidin/Oxydifficidin bewirkt. Überraschenderweise hatte die Ausschaltung der Bacillaen-Biosynthese keinen drastischen Einfluss auf die inhibitorische Wirkung gegenüber den eingesetzten Indikatorstämmen im Agar-Diffusionstest. Gegenüber B. megaterium war der inhibitorische Effekt des Kulturfiltrats leicht reduziert, gegenüber St. aureus – ähnlich wie in der CH8 pks3 knock out Mutante – überhaupt erst nachweisbar. Ursache könnte die gegenüber dem Wildtyp erhöhte Bildung von Difficidin und Oxydifficidin in beiden Mutanten sein. Nach Ausschaltung des pks2 Genclusters war kein Difficidin/Oxydifficidin im Kulturfiltrat von CH7 nachweisbar. Die antibiotische Aktivität gegenüber B. megaterium blieb unverändert während keine inhibitorische Aktivität gegenüber St. aureus verblieb ( ). Obwohl bisher kein 3. Polyketid durch die von uns ein eingesetzten Untersuchungsmethoden in FZB 42 nachgewiesen werden konnte, zeigt der deutliche Abfall in der inhibitorischen Aktivität gegenüber dem Indikatorstamm B. megaterium bei der pks-3 knock out Mutante CH8, dass durch dieses Gencluster ein potentes Antibiotikum mit spezifischer Wirkung produziert wird ( , Tabelle 6). Insbesondere die Gencluster pks2 (Difficidin/Oxydifficidin-Biosynthese) und pks3 (unbekanntes Polyketid) sind für die Synthese von Wirkstoffen mit spezifischer Wirkung gegenüber phyto-, tier- und humanpathogenen Bakterien (z. B. dem Erreger des Kartoffelschorfes, Streptomyces scabies, dem Erreger der Faulbrut bei Bienenlarven, Paenibacillus larvae larvae und dem humanpathogenen Staphylococcus aureus) von Interesse.By eliminating the pks3 gene by cassette mutagenesis, almost all antibacterial activity in the mutant strain CH8 was eliminated (indicator strain B. megaterium, ). In contrast, the pks2 mutant CH7 exhibited unchanged antibacterial activity against the indicator strains Bacillus megaterium and Arthrobacter spec. on. Both mutants were not altered in their antifungal activity (Saccharomyces cerevisiae, Fusarium oxysporum) compared to the wild type. Conversely, none of the lipopeptide synthesis mutants (AK1, AK2, AK3, CH1, CH2, CH3) were effective against Bacillus megaterium and Arthrobacter spec. affected. The elimination of the sfp gene, which codes for a phosphopantetheinyl transferase, results in the loss of the synthesis of biologically active lipopeptides and polyketides (Table 5). Of particular interest is the effect of the yczE mutation (CH4), which inhibits both the synthesis of lipopeptides of the iturin family and the polyketides. The failure of the synthesis of bacillomycin D in CH4 (yczE), and of bacillomycin D, fengycin and surfactin in the sfp, yczE double mutant CH5 could be detected by matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI TOF MS). The failure of the synthesis of bacillaen and difficidin / oxydifficidin in CH4 (yczE), and of bacillomycin D, fengycin and surfactin in the sfp, yczE double mutant CH5 could be detected by matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectroscopy (MALDI TOF MS). The corresponding analysis of the culture filtrates of the pks mutants (CH6-CH8) revealed that the pks1 gene cluster causes the synthesis of bacillaen and the pks2 gene cluster the synthesis of difficidin / oxydifficidin. Surprisingly, the elimination of the bacillaen biosynthesis had no drastic effect on the inhibitory effect against the indicator strains used in the agar diffusion test. Compared to B. megaterium, the inhibitory effect of the culture filtrate was slightly reduced, in contrast to St. aureus - as in the CH8 pks3 knock out mutant - in the first case detectable. The cause could be the increased formation of difficidin and oxydifficidin in both mutants compared to the wild type. After elimination of the pks2 gene cluster, no difficidin / oxydifficidin was detected in the culture filtrate of CH7. The antibiotic activity towards B. megaterium remained unchanged while no inhibitory activity against St. aureus remained ( ). Although no 3rd polyketide has been used by us in any of our investigation methods FZB 42 was detected, the significant decrease in the inhibitory activity towards the indicator strain B. megaterium in the pks-3 knock out mutant CH8 shows that this gene cluster produces a potent antibiotic with specific activity ( , Table 6). In particular, the gene clusters pks2 (difficidin / oxydifficidin biosynthesis) and pks3 (unknown polyketide) are for the synthesis of drugs with specific activity against phyto-, animal- and human pathogenic bacteria (eg the causative agent of potato scab, Streptomyces scabies, the pathogen the foul brood in bee larvae, Paenibacillus larvae larvae and the human pathogenic Staphylococcus aureus) of interest.

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) Stamm Mutation Polyketide3 S. cerevisiae Fusarium oxysporum Bacillus megaterium St. aureus Hämolyse AK1 bmyD Bacillaen, Difficidin +++ + +++ +++ Ak2 fen Bacillaen, Difficidin +++ +++ +++ +++ ++ AK3 bmyD&fen Bacillaen, Difficidin +++ +++ +++ CH1 srfA Bacillaen, Difficidin +++ +++ +++ +++ +++ CH2 fen&srfA Bacillaen, Difficidin +++ +++ +++ +++ +++ CH5 sfp&yczE CH6 pks1 Difficidin +++ +++ +++ +++ ++ CH7 pks2 Bacillaen +++ +++ +++ + ++ CH8 pks3 Bacillaen, Difficidin +++ +++ + +++ +++ CH10 pks3_TE n. b. n. b.4 n. b. + (+) +++ FZB42 wild type Bacillaen, Difficidin +++ +++ +++ (+) +++ 3 Nachweis in dem Kulturfiltrat nach HPLC Chromatographie und Massenspektroskopie
4 nicht bestimmt

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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 Gen CDS Produkt Protein-ID SEQ-ID-NO: pks1B 1...690 hydroxyacylglutathione hydrolase CAG23949.1 4 pks1C 1009...1878 malonyl-CoA-[acyl-carrier-prote] transacylase CAG23950.1 5 pks1D 1850...2989 malonyl-CoA-[acyl-carrier-protein] transacylase CAG23951.1 6 pks1E 2991...5231 malonyl-CoA-[acyl-carrier protein] transacylase CAG23952.1 7 pks1F 5297...5545 acyl carrier protein CAG23953.1 8 pks1G 5597...6859 3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA synthase CAG23954.1 9 pks1H 6847...7629 enoyl-CoA hydratase CAG23955.1 10 pks1I 7639...8388 enoyl-CoA-hydratase CAG23956.1 11 pks1J 8428...23376 putative polyketide synthase CAG23957.1 12 pks1L 23360...36805 putative polyketide synthase CAG23958.1 13 pks1M 36802...47358 putative polyketide synthase CAG23959.1 14 pks1N 47348...63649 putative polyketide synthase CAG23960.1 15 pks1R 63753...70886 putative polyketide synthase CAG23961.1 16 pks1S 71247...72494 putative cytochrome P450 107K1 CAG23962.1 17 Tabelle 8: Das pks2-Genkluster von Bacillus amyloliquefaciens FZB42 Quelle: SEQ-ID-NO: 2, GenBank Accession Number: AJ634061, Länge: 53724 bp, beinhaltet das pks2-Operon (bp1...52130) Gene des Bacillus amyloliquefaciens pks2 Operons (pks2A, B, C, D, E, F, G, H) Gen CDS Produkt Protein-ID SEQ-ID-NO: pks2A 1...2307 malonyl CoA [acyl-carrier-protein] transacylase CAG23963.1 18 pks2B 2329...14589 putative polyketide synthase typeI CAG23964.1 19 pks2C 14589...19361 putative polyketide synthase CAG23965.1 20 pks2D 19379...28117 putative polyketide synthase typeI CAG23966.1 21 pks2E 28110...35114 putative polyketide synthase typeI CAG23967.1 22 pks2F 35129...40849 putative polyketide synthase typeI CAG23968.1 23 pks2G 40846...48228 putative polyketide synthase typeI CAG23969.1 24 pks2H 48279...52130 putative polyketide synthase CAG23970.1 25 Tabelle 9: Das pks3-Genkluster von Bacillus amyloliquefaciens FZB42 Quelle: SEQ-ID-NO: 3, GenBank Accession Number: AJ634062, Länge: 74700 bp, beinhaltet das pks3-Operon (bp 3469...73761) rbam01165 Gen, rbam01163 Gen, nusG Gen, proI Gen und das pks3 operon (pks3A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, M Gen) von Bacillus amyloliquefaciens Gen CDS Produkt Protein-ID SEQ-ID-NO: rbam 01165 99...1115 putative NADH dependent flavin oxidoreductase CAG23971.1 26 rbam 01163 1818...2594 RBAM01163 protein CAG23972.1 27 nusG 2938...3468 putative NusG CAG23973.1 28 pks3A 4085...6460 malonyl CoA-acyl carrier protein transacylase CAG23974.1 29 pks3B 7775...9139 putative long-chain fatty acid CoA ligase CAG23975.1 30 pks3C 9154...9891 putative 3-oxoacyl-[acyl-carrier protein] reductase CAG23976.1 31 pks3D 9931...22521 putative polyketide synthase typeI CAG23977.1 32 pks3E 22540...28836 putative polyketide synthase typeI CAG23978.1 33 pks3F 28861...34602 putative polyketide synthase typeI CAG23979.1 34 pks3G 34720...50268 putative polyketide synthase typeI CAG23980.1 35 pks3H 50378...57991 putative polyketide synthase typeI CAG23981.1 36 pks3I 58014...64166 putative polyketide synthase typeI CAG23982.1 37 pks3J 64163...70378 putative polyketide synthase CAG23983.1 38 pks3K 70454...71614 cytochrome P450 109 CAG23984.1 39 pks3L 71672...72919 putative hydroxymethyl glutaryl-CoA synthase CAG23985.1 40 pks3M 72979...73725 enoyl CoA hydratase CAG23986.1 41 proI 73762...74601 pyrroline-5-carboxylate reductase 2 CAG23987.1 42 Domain shuffling within the three pks gene clusters in FZB 42 provides the opportunity to synthesize "tailored" polyketides that have improved shelf life and efficacy against the target pathogenic microorganisms. Since all three polyketides had no effect on the eukaryotic model organisms S. cerevisiae and Fusarium oxysporum used, the use of the active ingredients is also possible in the medical field. Tab. 6: Antibacterial, antifungal and hemolytic activity of gene knock-out mutants. Preparation of mutants CH6, CH7 and CH8 as well as other mutants as described (Koumoutsi et al., 2004, J. Bacteriol., 186, 1084-1096) tribe mutation Polyketides 3 S. cerevisiae Fusarium oxysporum Bacillus megaterium St. aureus hemolysis AK1 bmyD - Bacilli, difficidin +++ + +++ +++ - A k2 fen - Bacilli, difficidin +++ +++ +++ +++ ++ AK3 bmyD - & fen - Bacilli, difficidin +++ - +++ +++ - CH1 srfA - Bacilli, difficidin +++ +++ +++ +++ +++ CH2 fen - & srfA - Bacilli, difficidin +++ +++ +++ +++ +++ CH5 sfp - & yczE - - - - - - - CH6 pks1 - Difficidin +++ +++ +++ +++ ++ CH7 pks2 - bacillaene +++ +++ +++ + ++ CH8 pks3 - Bacilli, difficidin +++ +++ + +++ +++ CH10 pks3_TE nb nb 4 nb + (+) +++ FZB42 wild type Bacilli, difficidin +++ +++ +++ (+) +++ 3 Detection in the culture filtrate by HPLC chromatography and mass spectroscopy
4 not determined
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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 gene CDS product Protein ID SEQ ID NO: pks1B 1 ... 690 hydroxyacylglutathione hydrolase CAG23949.1 4 pks1C 1009 ... 1878 malonyl-CoA [acyl-carrier-prote] transacylase CAG23950.1 5 pks1D 1850 ... 2989 malonyl-CoA [acyl carrier protein] transacylase CAG23951.1 6 pks1E 2991 ... 5231 malonyl-CoA [acyl-carrier protein] transacylase CAG23952.1 7 pks1F 5297 ... 5545 acyl carrier protein CAG23953.1 8th pks1G 5597 ... 6859 3-hydroxy-3-methylglutaryl CoA synthase CAG23954.1 9 pks1H 6847 ... 7629 enoyl-CoA hydratase CAG23955.1 10 pks1I 7639 ... 8388 enoyl-CoA hydratase CAG23956.1 11 pks1J 8428 ... 23376 putative polyketide synthase CAG23957.1 12 pks1L 23360 ... 36805 putative polyketide synthase CAG23958.1 13 pks1M 36802 ... 47358 putative polyketide synthase CAG23959.1 14 pks1N 47348 ... 63649 putative polyketide synthase CAG23960.1 15 pks1R 63753 ... 70886 putative polyketide synthase CAG23961.1 16 pks1S 71247 ... 72494 putative cytochrome P450 107K1 CAG23962.1 17 Table 8: The pks2 gene library of Bacillus amyloliquefaciens FZB42 Source: SEQ ID NO: 2, GenBank Accession Number: AJ634061, length: 53724 bp, contains the pks2 operon (bp1 ... 52130) genes of Bacillus amyloliquefaciens pks2 operons (pks2A, B, C, D, E, F, G, H) gene CDS product Protein ID SEQ ID NO: pks2A 1 ... 2307 malonyl CoA [acyl carrier protein] transacylase CAG23963.1 18 pks2B 2329 ... 14589 putative polyketide synthase typeI CAG23964.1 19 pks2C 14589 ... 19361 putative polyketide synthase CAG23965.1 20 pks2D 19379 ... 28117 putative polyketide synthase typeI CAG23966.1 21 pks2E 28110 ... 35114 putative polyketide synthase typeI CAG23967.1 22 pks2F 35129 ... 40849 putative polyketide synthase typeI CAG23968.1 23 pks2G 40846 ... 48228 putative polyketide synthase typeI CAG23969.1 24 pks2H 48279 ... 52130 putative polyketide synthase CAG23970.1 25 Table 9: The pks3 gene library of Bacillus amyloliquefaciens FZB42 Source: SEQ ID NO: 3, GenBank Accession Number: AJ634062, length: 74700 bp, contains the pks3 operon (bp 3469 ... 73761) rbam01165 gene, rbam01163 gene , nusG gene, proI gene and pks3 operon (pks3A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, M gene) from Bacillus amyloliquefaciens gene CDS product Protein ID SEQ ID NO: rbam 01165 99 ... 1115 putative NADH dependent flavin oxidoreductase CAG23971.1 26 rbam 01163 1818 ... 2594 RBAM01163 protein CAG23972.1 27 nusG 2938 ... 3468 putative NusG CAG23973.1 28 pks3A 4085 ... 6460 malonyl CoA acyl carrier protein transacylase CAG23974.1 29 pks3B 7775 ... 9139 putative long-chain fatty acid CoA ligase CAG23975.1 30 pks3C 9154 ... 9891 putative 3-oxoacyl [acyl-carrier protein] reductase CAG23976.1 31 pks3D 9931 ... 22521 putative polyketide synthase typeI CAG23977.1 32 pks3E 22540 ... 28836 putative polyketide synthase typeI CAG23978.1 33 pks3F 28861 ... 34602 putative polyketide synthase typeI CAG23979.1 34 pks3G 34720 ... 50268 putative polyketide synthase typeI CAG23980.1 35 pks3H 50378 ... 57991 putative polyketide synthase typeI CAG23981.1 36 pks3I 58014 ... 64166 putative polyketide synthase typeI CAG23982.1 37 pks3J 64163 ... 70378 putative polyketide synthase CAG23983.1 38 pks3K 70454 ... 71614 cytochrome P450 109 CAG23984.1 39 pks3L 71672 ... 72919 putative hydroxymethyl glutaryl-CoA synthase CAG23985.1 40 pks3M 72979 ... 73725 enoyl CoA hydratase CAG23986.1 41 PROI 73762 ... 74601 pyrroline-5-carboxylate reductase 2 CAG23987.1 42

Legende zu den AbbildungenLegend to the pictures

: Antibiotische Wirkung auf Bacillus megaterium : Antibiotic effect on Bacillus megaterium

: Antibiotische Wirkung auf Staphylococcus aureus : Antibiotic effects on Staphylococcus aureus

Es folgt ein Sequenzprotokoll nach WIPO St. 25.This is followed by a sequence protocol according to WIPO St. 25. Dieses kann von der amtlichen Veröffentlichungsplattform des DPMA heruntergeladen werden.This can be downloaded from the official publication platform of the DPMA.

Claims (3)

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. Verfahren zur enzymatischen Biosynthese der Polyketide Difficidin und/oder Oxydifficidin mit antibakterieller Wirkung, dadurch gekennzeichnet, dass a) Zellen mit dem rekombinanten Expressionsvektor nach Anspruch 1 transformiert oder transfiziert werden; b) die Zellen in einem geeigneten Kulturmedium kultiviert werden; und c) die Polyketidverbindungen Difficidin und/oder Oxydifficidin aus dem Kulturüberstand isoliert werden.Process for the enzymatic biosynthesis of the polyketides difficidin and / or oxydifficidin having an antibacterial activity, characterized in that a) cells are transformed or transfected with the recombinant expression vector according to claim 1; b) the cells are cultured in a suitable culture medium; and c) the polyketide compounds difficidin and / or oxydifficidin are isolated from the culture supernatant. Verwendung des rekombinanten Expressionsvektors nach Anspruch 1 zur kombinatorischen Neusynthese von Difficidin und/oder Oxydifficidin.Use of the recombinant expression vector according to claim 1 for the combinatorial re-synthesis of difficidin and / or oxydifficidin.
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