Molekularbiologische Untersuchung der Biosynthese des nichtribosomalen Peptids Cyclochlorotin

Cyclochlorotin ist ein potentes Mycotoxin des Pilzes Talaromyces islandicus. Es ist ein cyclisches und chloriertes Pentapeptid, das seltene, nicht-proteinogene Aminosäuren enthält, nämlich L-β-Phenylalanin, L-α-Aminobuttersäure und das einzigartige L-dichloro-Prolin, welches ein außergewöhnliches Chlorierungsmuster aufweist.

Mittels Genomsequenzierung und RNA-Interferenz-Analysen konnten wir ein Biosynthese-Gencluster identifizieren, dessen Schlüsselgen ein extrem großes NRPS-Gen darstellt (rund 17kb). Damit lässt sich ein Modell der Biosynthese zeichnen.

Eine Halogenase, welche die außergewöhnliche Chlorierung bewerkstelligen könnte, ist interessanterweise aber nicht im Gencluster codiert. Die Suche nach einem Halogenase-Gen wurde deshalb auf das gesamte Genom ausgeweitet. Momentan wird mittels Gen-Knock-Down-Experimenten nach der unbekannten, möglicherweise neuartigen Halogenase gesucht.

Produktion, Aufreinigung und Wirkanalyse des pharmazeutisch relevanten Naturstoffes Astin C

Astin C ist ursprünglich aus der chinesischen Heilpflanze Aster tataricus beschrieben. Es ist strukturell dem Cyclochlorotin aus T. islandicus sehr ähnlich. Es wurde lange angenommen, dass Astin C von der Pflanze hergestellt wird. Wir konnten allerdings zeigen, dass die Pflanze einen Pilz-Endophyten beherbergt, der für die Synthese von Astin C verantwortlich ist. Dieser neuartige Pilz, Cyanodermella asteris, konnte isoliert und als Reinkultur kultiviert werden.

Durch Sequenzierung des Pilz-Genoms konnten wir einen NRPS-Biosynthese-Weg identifizieren, der Astin C und weitere Astin-Derivate herstellt. Dies eröffnet Möglichkeiten für eine biotechnologische Produktion des Naturstoffs.

Astin C bindet und inhibiert einen wichtigen Regulator des angeborenen Immunsystems im Menschen, den ‚stimulator of interfereon genes‘ (STING). Eine Überaktivität von STING wird mit chronischen Endzündungsreaktionen wie entzündlichen Darmerkrankungen und rheumatoider Arthritis in Zusammenhang gebracht. Astin C stellt also als STING-Inhibitor einen interessanten, potentiellen pharmakologischen Wirkstoff dar.

Ziel des Projekts ist zum einen, die Astin C-Produktion durch heterologe Expression der Biosynthese-Gene zu steigern, und zum anderen, die Wirkungsweise von Astin C innerhalb der Wirtspflanze Aster tataricus zu untersuchen.

Produktionssteigerung des Antibiotikums Pleuromutilin durch ‚metabolic engineering‘

Der Ständerpilz Clitopilus passeckerianus produziert den Naturstoff Pleuromutilin, das als semi-synthetisches Derivat in der Veterinär- und Humanmedizin eingesetzt wird. Die Biosynthese von Pleuromutilin wurde kürzlich aufgeklärt. Sie umfasst sieben enzymatische Schritte, bei der einfache Bausteine zu einem komplexen, trizyklischen Terpenoid zusammengesetzt werden.

Hier soll die Produktion von Pleuromutilin gesteigert werden, einerseits durch Manipulation der Biosynthese im natürlichen Produzenten C. passeckerianus und anderseits durch heterologe Expression der Biosynthese-Gene in mikrobiellen Wirten. In beiden Ansätzen soll dann durch genetische Manipulation die Versorgung mit Bausteinen für die Pleuromutilin-Biosynthese verbessert werden.

Themenvorschläge für Master- und Bachelorarbeiten

• Gemeinschaftliche Biosynthese durch Pilz und Pflanze? Molekulare und biochemische Untersuchung zur kooperativen Synthese potenter Biomoleküle von pilzlichem Endophyt und Wirtspflanze zusammen
• Wie kommt das Chlor ins Molekül? Identifizierung der Komponenten für eine chemisch einzigartige Halogenierung der Naturstoffe Cyclochlorotin und Astin.
• Heterologe Expression eines synthetischen Biosyntheseclusters in Streptomyceten, die für Naturstoff-Produktion optimiert sind
• Metabolic Engineering‘ des natürlichen Pleuromutilin-Produzenten Clitopilus passeckerianus

Kooperationen und Förderung

Alle Forschungsprojekte finden in enger Kooperation mit Prof. Karl-Heinz van Pée und Mitarbeitern der Allgemeinen Biochemie der TU Dresden sowie mit Prof. Jutta Ludwig-Müller und Mitarbeitern der Pflanzenphysiologie der TU Dresden statt. Weitere Kooperationspartner sind Prof. Philippe Jacques und Prof. Luc Willems (beide Gembloux Agro-Bio Tech, Universität Lüttich, Belgien) sowie Prof. Willem van Berkel (Universität Wageningen, Niederlande).

Die Arbeit wird unterstützt von ERA-IB, einem ERA-NET-Forschungsprogramm der Europäischen Union.