title: Strukturelle Charakterisierung des Heterobactin Siderophors aus Rhodococcuserythropolis PR4 und Untersuchung seiner biosynthetischen Maschinerie
title: Structural Characterization of the Heterobactin Siderophores from Rhodococcuserythropolis PR4 and Elucidation of their Biosynthetic Machinery
Creators: name: Zeyadi, Mustafa
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: Chemistry and allied sciences
Chemie
Siderophores, Iron
Biosynthese
Rhodococcus
Rhodococcus , Hydroxylierung
Hydroxylation
Eisen
Siderophore
Biosynthesis

description: Zusammenfassung Der Genus
      Rhodococcus gehört zu der Ordnung der Actinomycetales. Diese
      sind gram-positive Bakterien mit einem hohen GC-Gehalt,
      welche eine große Anzahl an Sekundärmetaboliten produzieren,
      die in der pharmazeutischen Industrie und in der
      Biotechnologie Anwendung gefunden haben. Die meisten dieser
      bioaktiven Verbindungen stammen entweder von
      nicht-ribosomalen Peptiden (NRP) oder Polyketiden (PK), von
      denen bisher jedoch nur wenige isoliert wurden.
      Nichtsdestotrotz wurde insbesondere innerhalb des
      Rhodococcus-Genus eine bemerkenswerte strukturelle Vielfalt
      von Siderophoren durch die Strukturaufklärung von
      Rhodochelin, Rhodobactin und Heterobactin A1 nachgewiesen.
      Deshalb wurde der Fokus dieser Arbeit auf die Isolierung und
      Charakterisierung von neuen Siderophor-Strukturen gelegt, um
      das chemische Potential in diesem Genus noch stärker
      hervorzuheben. In der vorliegenden Arbeit wird über die
      Isolierung, strukturelle Charakterisierung und Aufklärung des
      Biosyntheseursprungs des Siderophors Heterobactin berichtet.
      Dieser ist ein Catecholat-Hydroxamat-Mischtyp aus Rhodococcus
      erythropolis. Die Strukturaufklärung des extrahierten und
      gereinigten Siderophors Heterobactin A wurde mittels
      MSn-Analytik und NMR- Spektroskopie durchgeführt und zeigte
      die Anwesenheit einer besonderen Peptidbindung zwischen der
      Guanidingruppe eines Argininrestes und einer
      2,3-Dihydroxybenzoatgruppe. Die beiden isolierten
      Heterobactin-Varianten S1 und S2 sind zudem Derivate von
      Heterobactin A, die eine Sulfonierung an den Aromaten
      aufweisen. Die bioinformatische Untersuchung des R.
      erythropolis PR4 Genoms und die anschließende biochemische
      Charakterisierung der putativen Biosynthesemaschinerie halfen
      das Gencluster zu identifizieren, das für die Biosynthese der
      Heterobactine verantwortlich ist. Interessanterweise verfügt
      die HtbG NRPS-Synthetase, die aus drei Modulen besteht,
      innerhalb ihres zweiten Moduls über eine nie zuvor
      beobachtete C-PCP-A Domänenorganisation, welche notwendig
      sein könnte für die korrekte Verlängerung der
      Peptidintermediate. Die vorliegende Arbeit korrigiert zudem
      die von Carrano et al. in 2001 beschriebene Heterobactin A
      Struktur. Die biochemische Charakterisierung der
      Monooxygenase HMO (kodiert vom Gen hmo) etablierte zudem die
      Biosyntheseroute der nicht-proteinogenen Aminosäure L-hOrn,
      bevor diese durch die NRPS-Maschinerie in das Peptidgerüst
      (Siderophor) eingefügt wird. Die Ergebnisse aus der
      strukturellen und biochemischen Charakterisierung der
      Heterobactine erlauben, zusammen mit der genetischen und
      biochemischen Charakterisierung der jeweiligen
      Biosynthesegencluster, den Vorschlag eines Biosynthesemodells
      für die Heterobactin-Assemblierung, In dieser arbeit wurde
      auch das Siderophor-Bindungsprotein htbH biochemisch
      untersucht, wobei seine hohe Affinität zum Mischtyp
      Catecholat-Hydroxamat Siderophor gezeigt werden
      konnte.
description: Summary The genus Rhodococcus
      belong to the order actinomycetes, which are gram-positive
      bacteria with high GC content. They produce a broad range of
      bioactive secondary metabolites that found use in the
      pharmaceutical industry and in other biotechnological
      applications. Most of these bioactive metabolites were
      derived from nonribosomal peptides (NRP) or polyketides (PK).
      However, only few natural products have been isolated and
      characterized so far. In particular, within the Rhodococcus
      genus, substantial chemical diversity has been observed among
      the iron-chelating siderophores through the structure
      elucidation of rhodochelin, rhodobactin and heterobactin A1.
      Therefore this work was focused on isolation and structural
      characterization of further new iron-chelating molecules to
      explore the possible chemical potential of this genus on
      secondary metabolite production. In this study we
      accomplished the isolation, the structural characterization
      and the elucidation of the biosynthetic origin of
      heterobactins, a catecholate-hydroxamate mixed-type
      siderophores from Rhodococcus erythropolis PR4. The structure
      elucidation of the extracted and purified siderophore
      heterobactin A was accomplished via MSn analysis and NMR
      spectroscopy and revealed the noteworthy presence of a
      peptide bond between the guanidine group of an arginine
      residue and a 2,3- dihydroxybenzoate moiety. The two other
      purified siderophores heterobactin S1 and S2 were found to be
      derivatives of heterobactin A that have sulfonation
      modifications on the aromatic rings. The bioinformatic
      analysis of the R. erythropolis PR4 genome and the subsequent
      genetic and biochemical characterization of the putative
      biosynthetic machinery identified the gene cluster
      responsible for the biosynthesis of the heterobactins to
      encode the three modules comprising nonribosomal peptide
      synthetase (NRPS) HtbG. Interestingly, the HtbG NRPS contains
      an unprecedented C-PCP-A domain organization within the
      second module of the HtbG-synthetase that may help the
      correct elongation of the peptide intermediate. The present
      work also revises the structure of heterobactin A that was
      described by Carrano et al. in 2001. Also, the biochemical
      characterization of the monooxygenase HMO (encoded by the hmo
      gene within the gene cluster) established a route for the
      biosynthesis of the non- proteinogenic amino acid L-hOrn,
      prior to its incorporation by the NRPS HtbG into the
      siderophore scaffold. The insights gained from the structural
      and biochemical characterization of the siderophore
      heterobactins, together with the genetic and biochemical
      characterization of the respective biosynthetic gene
      clusters, allowed us to establish a biosynthetic model for
      heterobactins assembly. The iron-siderophore binding protein
      HtbH (encoded by htbH gene within the gene cluster) was also
      biochemically characterized and was shown to display a novel
      mix-type catecholate-hydroxamate binding behavior.