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Die Bedeutung von Glycopeptid-Antibiotika liegt in der antimikrobiellen
Wirkung gegen Gram-positive Mikroorganismen, deren wichtigste
Vertreter die klinisch relevanten Glycopeptid-Antibiotika Vancomycin und
Teicoplanin sind und die als Notfallantibiotika bei Infektionen mit
methicillinresistenten Staphylococcus aureus-Stämmen (MRSA) angewendet
werden.[1] Einige Glycopeptid-Antibiotika zeigen auch antivirale
Eigenschaften.[2] Darüber hinaus finden Glycopeptid-Antibiotika als chirale
Trennphasen in der Enantiomerenanalytik Verwendung.[3] Es sind eine
ganze Reihe von Glycopeptid-Antibiotika isoliert und charakterisiert und
auch semisynthetische Derivate hergestellt worden. [1b]
Charakteristisches Strukturelement der Verbindungsklasse der
Glycopeptid-Antibiotika Typ I, II, III und IV ist die trizyklische Seitenkettenverbrückung
bestehend aus einer Biaryl- und zwei Biarylether-Bindungen (Abb.
1).
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Ein weiterer Typ von Glycopeptid-Antibiotika ist der Typ V, der sog.
Complestatin- oder Kistamycin-Typ, dessen Vertreter antivirale
Eigenschaften zeigen (Abb. 2).
Beschreibung
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Erstmals wurde die putative Gensequenz eines
Glycopeptidbiosynthesegenclusters aus Glycopeptid-Antibiotikaproduzenten durch von
Wageningen et al. publiziert.[5] Der Einbau von nicht-natürlichen
Aminosäuresubstraten (abgesehen von Isotopenmarkierung) in Strukturen der
Glycopeptid-Antibiotika war bisher nicht bekannt.[6] Dieser Beitrag stellt
die Generierung der ersten in-vivo modifizierten Glycopeptid-Antibiotika
mit Aminosäuresubstraten vor, die anstelle einer oder mehrerer der
folgenden natürlichen Aminosäuren 3,5-Dihydroxyphenylglycin,[10] 4-
Hydroxyphenylglycin, β-Hydroxytyrosin und 3-Chlor-β-hydroxytyrosin
nach Fütterung nicht-natürliche Aminosäureanaloga enthalten. Die
neuen Glycopeptid-Antibiotika wurden erhalten durch Fütterung an den
Wildtyp oder bevorzugt an Mutanten, die gezielt mit
molekulargenetischen Techniken erzeugt wurden. Durch den Einbau ergeben sich
antibiotische Wirkstoffe mit bisher unbekannten Strukturelementen. Neue
bisher unbekannte Strukturen von Glycopeptid-Antibiotika, die durch die
Verwendung nicht-natürlicher Substrate generiert werden können, bieten
neue Anwendungsbereiche als pharmazeutische Wirkstoffe mit
antimikrobiellen und antiviralen Eigenschaften sowie als chirale Trennphasen.
Dies gilt insbesondere auch für den Einsatz als antimikrobielle Wirkstoffe
gegen vancomycinresistente bzw. gegen Glycopeptid-Antibiotika
resistente Organismen.
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Die vorliegende Arbeit zeigt, dass mittels Mutasynthese
Strukturvariationen an Glycopeptid-Antibiotika eingeführt werden können, die zu neuen,
bisher unbekannten Glycopeptid-Antibiotikaderivaten führen. Es war
nicht zu erwarten, dass bei Glycopeptid-Antibiotikaproduzenten das
Verfahren der Fütterung an Mutanten auf Analoga der natürlichen Substrate
angewendet werden kann, da die natürlichen Glycopeptid-Varianten
(z. B. Balhimycin, Vancomycin, Chloroeremomycin), die aus
verschiedenen Produzenten (A. mediterranei, A. orientalis) isoliert wurden, sich
unterscheiden und stammspezifisch sind. Dies zeigt, dass die beteiligten
Biosyntheseenzyme hochspezifisch sind und in der Regel keine als die
jeweiligen natürlichen Substrate akzeptiert werden.
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Die Verwendung von nicht-natürlichen Substraten in der Mutasynthese
wird am Beispiel von chemisch-synthetischen Analoga gezeigt. Diese
nicht-natürlichen Substrate können Precursor-Aminosäuren sein, die
nicht den bisher bekannten Precursor-Aminosäuren des natürlichen
Biosyntheseweges entsprechen, d. h. die an jeweils aus dem Wildtyp
bekannten Positionen eine oder mehrere Aminosäuren tragen, die nicht
3,5-Dihydroxyphenylglycin, 4-Hydroxyphenylglycin, β-Hydroxytyrosin
oder 3-Chlor-β-hydroxytyrosin sind. Dabei schließt die Verwendung von
chemisch-synthetischen Aminosäuren eine Verwendung von
biotechnologisch hergestellten Derivaten nicht aus. Ebenso kann diese
Vorgehensweise analog auf andere Glycopeptid-Antibiotikaproduzenten
angewendet werden.
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Das besondere an dem hier vorgestellten Verfahren ist, dass als
Produzenten bevorzugt Mutanten eingesetzt werden, die durch gezielte
molekulargenetische Manipulation des Produzentenstammes A. mediterranei
erhalten wurden. Erstmals wurde für einen Glycopeptid-
Antibiotikaproduzenten durch "in-frame"-Deletion Mutanten herstellen,
die nur in einer spezifischen Eigenschaft (z. B. die Expression eines
Biosyntheseenzyms) betroffen sind, die aber sonst vollkommen mit dem
Wildtyp genetisch identisch sind. Es können aber auch herkömmliche
Mutanten oder der Wildtyp für entsprechende Fütterungen eingesetzt
werden.
a) Einführung von Strukturvariationen in die Aminosäurepositionen 2
und 6
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Der Balhimycin-Produzent Amycolatopsis mediterranei DSM5908
produziert ein Glycopeptid-Antibiotikum des Typs I.[7] Die Generierung einer
Deletionsmutante (OP696) im bhp-Gen des Balhimycin-
Biosynthesegenclusters ist eine Neuentwicklung auf der Grundlage
bereits beschriebener Methoden und Protokolle (s. Experimenteller
Teil)[7, 8, 9] Die bhp-Deletionsmutante akzeptiert 3-Chlor-β-hydroxytyrosin
und β-Hydroxytyrosin als natürliche Substrate. Dieser Befund wurde
experimentell nachgewiesen.
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Als nicht-natürliches Analogon von β-Hydroxytyrosin (AS 2 und AS 6 des
Aglycons von Glycopeptidantibiotika Typ I-IV) wurde 3-Fluor-β-
hydroxytyrosin eingesetzt (racemisch und enantiomerenrein). β-
Hydroxytyrosin und entsprechend Aromaten-substituierte Analoga sind
gemäss bereits bekannter Vorschriften synthetisierbar.[1b und dort zitierte Literatur]
Der Zusatz von 3-Fluor-β-hydroxytyrosin zum Medium der bhp-
Mutante von A. mediterranei ergab nach Fermentation mit der bhp-
Mutante das zweifach fluorierte Glycopeptid-Antibiotikum 3-
Fluorbalhimycin (Abb. 3). Dieser Befund wurde durch
höchstauflösende Massenspektrometrie bestätigt (Abb. 4).
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Es wurden weitere Aminosäuren synthetisiert und mittels
Supplementierung getestet (Abb. 5). Die Aminosäuren 2-Fluor-β-hydroxytyrosin
und 3,5-Difluor-β-hydroxytyrosin wurde ebenfalls synthetisiert und
ergaben die fluorierten Glycopeptid-Antibiotika 2-Fluorbalhimycin sowie 3,5-
Fluorbalhimycin, welche ebenso wie das 3-Fluorbalhimycin antibiotische
Aktivität zeigten.
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Zusätzlich zum Hauptmetaboliten Fluorbalhimycin wurden verschieden
glycosylierte und an Leucin Nmethylierte Glycopeptid-Antibiotika
nachgewiesen. Alle Fluorbalhimycine zeigen antibiotische Aktivität gegen den
Indikatorstamm B. subtilis.
b) Einführung von Strukturvariationen in Aminosäureposition 7
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Als Mutanten wurden die Stämme A. mediterranei VP1-2 verwendet (s.
Experimenteller Teil).[10] Die "in-frame"-Deletionsmutante im dpgA-Gen
von A. mediterranei VP1-2 akzeptiert als nicht-natürliches Substrat die
Aminosäure 3-Hydroxyphenylglycin (Abb. 6) und 3-
Methoxyphenylglycin. Es wurde ein racemisches Aminosäurengemisch
verwendet, was die Verwendung enantiomerenreiner Verbindungen
nicht ausschließt. Das Kulturfiltrat zeigt nach Fütterung von 3-
Hydroxyphenylglycin bzw. 3-Methoxyphenylglycin antibiotische Aktivität
gegen den Indikatorstamm B. subtilis.
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Dieser Befund ist neu, da alle bisher bekannten Glycopeptid-Antibiotika
an Aminosäureposition 7 (AS7) nur Substituenten in 3- und 5-Position
des aromatischen Rings von AS7 gleichzeitig tragen (Abb. 6).
Chemisch-analytisch wurde dies nachgewiesen durch eine
charakteristische Massendifferenz von -16 amu gegenüber dem durch die
Supplementierung mit 3,5-Dihydroxyphenylglycin erhaltenen Hauptmetaboliten
Balhimycin.
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Es wurden ebenfalls verschieden glycosylierte und an Leucin N-
methylierte Nebenmetaboliten detektiert die ebenfalls antibiotische
Aktivität zeigen.
c) Einführung von Strukturvariationen in Aminosäureposition 2 und 6
durch Supplementierung mit anderen Halogenid-Ionen
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Es ist bekannt, dass in Einzelfällen durch Supplementierung des
Mediums mit Bromid anstatt Chlorid im Sekundärmetaboliten ein
vorhandenes Chlor-Atom durch ein Brom-Atom ersetzt werden kann. Dies wurde
am Beispiel des Glycopeptid-Antibiotikums Actaplanin gezeigt, das nur
ein Halogenatom enthält.[4]
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Ein bisher unbekanntes Derivat ist das zweifach bromierte Aglycon des
Balhimycins, das wir mit dem Produzentenstamm A. mediterranei
herstellen konnten (s. Experimenteller Teil). Neu ist ferner, dass bei Zugabe
von Mischungen von Bromid (MgBr2 oder CaBr2) und Chlorid (MgCl2
oder CaCl2) zu gleichen Teilen gemischt-halogenierte Derivate erhalten
werden. Aus Fermentationen unter Zusatz dieser Halogenide wurden
neben Balhimycin und zweifach bromiertem Bromobalhimycin auch
gemischt substituierte Derivate erhalten. Der Bromsubstituent kann sowohl
in Aminosäureposition 2 als auch in Aminosäureposition 6 sitzen (
Abb. 7). Die Derivate wurden durch Massenspektrometrie charakterisiert
(Abb. 8 und 9). Das Brombalhimycin zeigte im MIC-Test das
gleiche antimikrobielle Profil sowie die gleiche Aktivität wie die beiden
Referenzen Teicoplanin und Vancomycin.
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Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren sowie die
Verbindungen durch ausführliche Beschreibung von besonderen
Ausführungsformen sowie durch Abbildungen erläutert. In diesen Ausführungsformen
können einzelne Merkmale der Erfindung allein oder in Kombination mit
anderen Merkmalen verwirklicht sein. Die beschriebenen besonderen
Ausführungsformen dienen lediglich zur Erläuterung und zum besseren
Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu
verstehen.
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Im übrigen ist die Erfindung anhand der Abbildungen dargestellt, dabei
zeigen:
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Abb. 1:
Die fett dargestellten Linien geben das charakteristische Strukturelement
von Glycopeptidantibiotika (Typ 1-4) wieder. Die Reste R3 und R5 sind
meist Seitenketten von aliphatischen oder aromatischen Aminosäuren.
Aromatische Aminosäuren mit den aromatischen Seitenketten R3 und R5
können miteinander verbrückt sein (z. B. Teicoplanin). Die Reste R6-R10
sind abgesehen von R6,7,8,9,10 = H meist Zuckerreste mit verschiedenen
Glycosylierungsmustern und teilweiser Acylierung von Aminogruppen
der Kohlenhydratsubstituenten. Für die Reste X1,2,10,4 sind aus der
Literatur [1b] bisher nur X = H oder X = Cl bekannt. Nur ein Fall wurde mit X1,2,4 = H
und X10 = Br beschrieben [4]. Der Substituent R4 kann H oder OH sein.
R11 ist in natürlichen Derivaten eine OH-Gruppe. (AS bezeichnet die
Aminosäurenpositionen des Heptapeptidrückgrats)
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Abb. 2:
Die fett dargestellten Linien geben das charakteristische Strukturelement
von Typ V-Glycopeptidantibiotika wieder. Die Reste R1-R4 sind meist
Seitenkettenreste aromatischer Aminosäuren. Eine Glycosylierung
phenolischer oder sonstiger OH-Gruppen wurde bisher nicht
beschrieben. (AS bezeichnet die Aminosäurenpositionen des
Heptapeptidrückgrats)
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Abb. 3:
Struktur von 3-Fluorbalhimycin das durch Supplementierung mit 3-Fluor-
β-hydroxytyrosin erhalten wurde.
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Abb. 4:
FTICR-MS von 3-Fluorbalhimycin. Das Molekülion [M+2H]2+ wurde bei
m/z = 707,7439 mit einer Massengenauigkeit von δ = 0,3 ppm detektiert
(Summenformel C66H73F2N9O24). Zur internen Kalibrierung wurde
PEG1020 als Standard verwendet.
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Abb. 5:
Synthetische Aminosäuren, die zur Supplementierungsversuchen mit
der bhp-Mutante von A. mediterranei eingesetzt wurden. Biologische
Aktivität gegen den Indikatorstamm B. subtilis wurde bei Einsatz von AS
1, 2, 5 und 8 detektiert. Für AS 3, 4, 6, und 7 wurde keine antimikrobielle
Aktivität gegen den Indikatorstamm B. subtilis festgestellt und mit HPLC-
ESI-MS keine Molekülmassen der entsprechenden Glycopeptid-
Antibiotika detektiert
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Abb. 6:
Chemische Struktur von Dehydroxy-Balhimycin mit fehlender OH-
Funktion in der 5-Position der Aminosäure 7.
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Abb. 7:
Struktur von verschieden halogensubstituierten Balhimycinen mit X1 =
Cl, Br und X2 = Cl, Br.
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Abb. 8:
FTICR-MS der verschieden halogensubstituierten Balhimycine von
2Chlor6Brom-Balhimycin mit X1 = Cl und X2 = Br bzw. 2Brom 6Chlor-
Balhimycin X1 = Br und X2 = Cl. Das Molekülion [M+2H]2+ wurde bei m/z
= 745,6899 mit einer Massengenauigkeit von δ = 0,7 ppm
(Summenformeln: C66H73BrClN9O24) detektiert. Die nicht bezeichneten Signale im
Massenspektrum stammen vom internen Standart PEG600 der zur
internen Kalibrierung verwendet wurde.
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Abb. 9:
FTICR-MS von Brombalhimycin mit X1 = Br und X2 = Br. Das Molekülion
[M+2H]2+ wurde bei m/z = 767,6643 mit einer Massengenauigkeit von δ
= 0,3 ppm detektiert (Summenformel: C66H73Br2N9O24). Zur internen
Kalibrierung wurde PEG1020 als Standard verwendet.
Experimenteller Teil
1. Chemische Synthesen
a) Synthese von 3-Hydroxyphenylglycin
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Die Synthesen der enantiomerenreinen 3-Hydroxyphenylglycine sind in
Anlehnung an die von Nicolaou et al.[1b] beschriebenen und dort zitierten
Literaturvorschriften durchgeführt worden. Racemische Produkte wurden
durch die Strecker-Synthese hergestellt.
b) Synthesen von β-Hvdroxytyrosin, 3-Fluor-β-hydroxytyrosin, 3-
Chlor-β-hydroxytyrosin
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Die enantiomerenreinen Produkte sind in Anlehnung an die in Nicolaou
et.[1b] beschrieben und dort zitierten Literatur durchgeführt worden.
Diese wurde durch dort beschriebene Schöllkopf-Reaktion und die
Sharpless-Aminohydroxylierung synthetisiert. Racemische Produkte
wurden durch Aldolreaktion aus dem entsprechenden aromatischen
Aldehyd und einem Glycinäquivalent z. B. Boc-Gly-OtBu mit BuLi in
Tetrahydrofuran erhalten.
2. Generierung von Mutanten in A. mediterranei DSM5908
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Die Nucleotidsequenzen der Gene der Balhimycin-Biosynthese sind in
der EMBL Datenbank unter der Nummer Y16952 zugänglich.
a) Generierung von Mutanten im bhp-Gen von A. mediterranei
DSM5908
Konstruktion des Plasmids pOP1
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Zur Deletion des Perhydrolase-Gens bhp (pOP1) wurden Plasmide
konstruiert. Die relevanten Regionen des Plasmidkonstrukts wurden
durch Sequenzierung verifiziert. Das 1,116 bp Fragment frOP1 schließt
eine Sequenz des N-terminal kodierenden Teils des Perhydrolase-Gens
bhp ein (96 bp, entspricht einer Länge von 32 Aminosäuren). Das 1,286
bp-Fragment frOP2 umfasst den C-terminal kodierenden Teil des bhp-
Gens (342 bp, entspricht 114 Aminosäuren). Diese beiden Fragmente
wurden in getrennten Ansätzen in die EcoRV-Schnittstelle des Vektors
pJOE890 ligiert. Daraus ergaben sich die Plasmide pJOEOP1 und
pJOEOP2. frOP2 wurde dann hieraus als XbaI-Fragment in die
singuläre XbaI-Schnittstelle des Vektors pSP1 ligiert und das Plasmid pSPOPa
erhalten. frOP1 wurde als BamHI-Fragment aus pJOEOP1 in die Bam-
HI-Schnittstelle des Vektors Litmus28 ligiert und das Plasmid
pLitmus29OPa erhalten. frOP1 wurde dann als Bg/II-Fragment in die Bg/II-
Schnittstelle des Plasmids pSPOPa ligiert und das Plasmid pOP1
erhalten, daß das teilweise deletierte bhp-Gen enthielt.
PCR Protokoll zur Amplifizierung der frOP1- und frOP2-Fragmente
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Die Amplifizierung wurde auf einem Thermocylcer (Stratagene, La Jolla,
CA, USA) mit einem Expand High Fidelity PCR System (Roche)
durchgeführt. Die PCR-Mischung (100 µl) enthielt je 100 µl Primer, 1.0 µg
Template-DNA (pUC18bhA oder pUC18Bbhp), Desoxyribonucleosid 5'-
triphosphate in einer Gesamtkonzentration von je 200 µl (DNA
Polymerisation Mix, Pharmacia), 10 × Reaktionspuffer, 1.5 mM MgCl2 und 3.5 U
Taq DNA Polymerase. DMSO wurde zu 3% der Gesamtkonzentration
der Reaktionsmischung zugegeben. Zur Amplifizierung der Fragmente
wurde folgendes PCR-Protokoll verwendet: Initial Denaturierung (94°C,
3 min) vor Zugabe der Polymerase; 30 Denaturierungszyklen (94°C, 1 min),
Annealing (60°C, 1 min) und Polymerisation (72°C, 2 min); am
Ende erfolgte ein zusätzlicher Polymerisationsschritt (72°C, 10 min). Die
Primersequenzen sind im Sequenzprotokoll dargestellt. Es erfolgt die
Amplifikation des Fragments frOP1 mit den Primern prOP1-1 und
prOP1-2 sowie des Fragments frOP2 mit den Primern prOP2-1 und
prOP2-2.
b) Generierung von Mutanten im dpgA-Gen und pgat-Gen von A.
mediterranei DSM5908
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Die Mutante A. mediterranei VP1-2 wurde gemäss dem in der Literatur
angegebenen Protokoll generiert.[10]
3. Fermentationsbedingungen
b) Fermentation von A. mediterranei und Mutanten
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Der Stamm A. mediterranei und Mutanten wurden mit Kulturmedien
bekannter Zusammensetzung fermentiert.[8] Vor Beimpfen des Mediums
mit A. mediterranei Mutanten wurde die jeweils zu fütternde Aminosäure
nach Sterilfiltration in einer Endkonzentration von 0.4 mg/ml dem
Medium zugegeben.
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Fluorbalhimycin wurde in einer Ausbeute von 8,6 mg/l Medium isoliert.
Der Prozess kann auf höhere Ausbeuten durch Variation der
Fermentationsbedingungen optimiert werden. Um eine Reproduzierbarkeit der
Ergebnisse zu gewährleisten wurden Fütterungsexperimente mit allen
Aminosäuren dreimal wiederholt.
c) Fermentation von A. mediterranei und Mutanten unter
Halogenidsubstitution
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Der Stamm A. mediterranei und Mutanten wurden mit Kulturmedien
bekannter Zusammensetzung fermentiert.[8] Die für das Medium dort
angegebenen Chlorid-Salze (MgCl2 oder CaCl2) durch Bromidsalze (MgBr2
oder CaBr2) ersetzt (Vollsubstitution), bzw. zur Hälfte (50 mol%) durch
Bromid ersetzt um die gemischt-substituierten Derivate zu erhalten.
4. Isolierung und analytische Charakterisierung der
Glycopeptidantibiotika
a) Isolierung
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Kulturfiltrate wurden mittels Adsorptionschromatographie an XAD 1160
(Serva) und mittels nachfolgender präparativer RP18-HPLC (Grom-Sil
RP-C18, 5 µm, 20 × 250 mm) gereinigt.
b) Analytische Charakterisierung der Glycopeptid-Antibiotika
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Massenspektren wurden auf einem API III (Perkin-Elmer Sciex, Ontario,
Kanada) Triple-Quadrupol Massenspektrometer aufgenommen. Die
Summenformeln der charakterisierten Verbindungen wurden aus
hochaufgelösten FTICR-Massenspektren mit interner Kalibrierung bestimmt,
die auf einem FTICR-Massenspektrometer (Bruker-Franzen, Bremen)
mit Elektrospray-Ionisierung im Positivionenmodus aufgenommen
wurden. Der Magnet besitzt eine Feldstärke von 4,7 T.
5) Nachweis fluorierter Balhimycine durch LCMS nach Suppl. von
Δbhp OP696 β-Hydroxytyrosin-Derivaten
Bedingungen
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10 ml-Kulturen supplementiert mit Aminosäure 1 mg/ml; abzentrifugiert,
über Solid Phase Extraktion (Varian BondElut 2 ml-Kartuschen)
gewonnene Fraktionen (Elution mit Methanol/Wasser Stufengradienten
(Elutionsfolge: 2 ml Wasser, 1 ml 90/10 Wasser/Methanol (v/v), 80/20, 50/50,
schließlich 100% Methanol). Fraktionen vermessen mit LCMS am
Esquire 3000plus ESI-Ionenfallen-Massenspektrometer (Bruker Daltonics)
gekoppelt mit HP-Agilent 1100 ChemStation HPLC-Anlage. Säule:
Purospher RP-C18e (Merck) 125 × 4 mm, 5 µm Korngröße.
Gradientenprogramme
jeweils aus A) Wasser (0,1% Trifluoressigsäure) und B) Acetonitril (0,1%
Trifluoressigsäure).
- 1. Gradientenprogramm (bei 2-Fht, 3,5-Fht, 3-OMe-Pg) innerhalb 6 min:
von 10% B auf 70% B.
- 2. Gradientenprogramm innerhalb 15 min. von 10% B auf 50% B.
Zitierte Literatur
-
1 a) D. H. Williams, B. Bardsley, Angew. Chem. 1999, 111, 1264-1286;
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C. N. C. Boddy, S. Bräse, N. Winssinger, Angew. Chem. 1999, 111,
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