title: Biosynthesis and biological role of 2-alkyl-4-quinolones in Pseudomonas aeruginosa and Burkholderia thailandensis
Creators: name: Savchenko, Viktoriia
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Insbesondere Pseudomonas aeruginosa und Burkholderia-Arten tragen zu chronischen Lungeninfektionen bei Mukoviszidose-Patienten bei und führen zu einer erheblichen Mortalität. Beide Bakterien produzieren eine Reihe von seltenen 2-Alkyl-4-chinolonen mit fein abgestimmten chemischen Strukturen dieser Naturstoffe, wodurch ihre Rolle beim Quorum Sensing, der antimikrobiellen Aktivität und der Modulation der Immunantwort des Wirts optimiert wird. Das Ziel dieser Arbeit war es, unser Wissen über die Biosynthese von bakteriellen Chinolonen zu erweitern, einem Prozess, der nur für drei Bakterienfamilien spezifisch ist und daher diese Metaboliten einzigartig macht. Ein Ziel unserer Studie war es, eine neue Klasse bakterieller Chinolone vorherzusagen, die aus Substraten der Fettsäurebiosynthese in P. aeruginosa gebildet werden. Wir waren auch an der biologischen Aktivität der entdeckten Chinolone interessiert, einschließlich ihrer Rolle bei Bakterien-Bakterien- und Bakterien-Wirt-Interaktionen. Ein weiterer Aspekt unserer Forschung zielt darauf ab, unser Verständnis der Funktionalitäten zu verbessern, die mit PQS, dem wichtigsten Quorum-Sensing-Chinolon in P. aeruginosa, verbunden sind. Schließlich wollten wir in Zusammenarbeit mit der Fetzner-Gruppe die Lücken in der Biosynthese methylierter Chinolone in Burkholderia spp. schließen und weitere Informationen über die Kinetik der beteiligten Enzyme erhalten. Hier berichten wir über eine bisher unbekannte Klasse hydroxylierter 2-Alkyl-4-chinolone, produziert von P. aeruginosa. Wir konnten auch klar zeigen, dass diese Hydroxylgruppe von der Fettsäurevorstufe stammt, die im Rahmen der Fettsäurebio-synthese/β-Oxidation gebildet wird. Darüber hinaus lösten diese neuen Chinolone selbst bei nanomolaren Konzentrationen eine starke entzündungsfördernde Immunantwort aus, was auf ihre mögliche Beteiligung an der durch P. aeruginosa verursachten Lungenentzündung hinweist. In unserer zweiten Arbeit konnten wir zum ersten Mal zeigen, dass PQS die Fähigkeit besitzt, zusätzlich zu der bekannten Funktion als Eisenfalle auch andere Metallionen einzufangen, was die entscheidende Rolle von PQS bei der Metallionenregulation von P. aeruginosa unterstreicht. Unser drittes Projekt konnte letztendlich zeigen, auf welcher Stufe der Methylierungsschritt in der 3-Methyl-2-alkyl-4-chinolon-Biosynthese von B. thailandensis stattfindet und warum Chinolon produzierende Burkholderia spp. vorzugsweise Chinolone mit Δ2-ungesättigten Fettsäureresten bilden.
description: Pseudomonas aeruginosa and Burkholderia species particularly contribute to chronic pulmonary infections in cystic fibrosis patients, leading to considerable mortality. Both of these bacteria uniquely produce a range of 2-alkyl-4-quinolones and finely tune the chemical structures of these natural products, optimizing their roles in quorum sensing, antimicrobial activity, and modulation of the host immune response. The goal of this thesis was to broaden our knowledge of bacterial quinolone biosynthesis, a process specific to only three bacterial families, making these metabolites rather unique. In our study, we aimed to predict a new class of bacterial quinolones, based on substrates formed within fatty acid biosynthesis in P. aeruginosa. We were also interested in the biological activity of discovered quinolones, including their role in bacteria-bacteria and bacteria-host interactions. Another aspect of our research aims to enhance our understanding of the functionalities associated with PQS, the main quorum sensing quinolone in P. aeruginosa. Finally, in collaboration with the Fetzner group, we aimed to fill the gaps in the methylated quinolone biosynthesis in Burkholderia spp. and obtain more information about the enzymes’ kinetics. Here we report a new class of hydroxylated 2-alkyl-4-quinolones, produced by P. aeruginosa. We could also clearly show that this hydroxy moiety comes from the fatty acid precursor, formed within fatty acid biosynthesis/β-oxidation. Additionally, these new quinolones triggered a strong pro-inflammatory immune response even at nanomolar concentrations, indicating their potential involvement in P. aeruginosa-induced lung inflammation. Our second work reveals PQS's capacity to trap other metal ions, in addition to being a known iron trap, highlighting the crucial role of PQS in P. aeruginosa's metal ion regulation. Our third project could finally demonstrate at which stage the methylation occurs in 3-methyl-2-alkyl-4-quinolone biosynthesis in B. thailandensis, and why quinolone-producing Burkholderia spp. preferably form quinolones with Δ2-unsaturation in fatty side chains.