title: Strukturelle Charakterisierung des Siderophors Rhodochelin aus Rhodococcus jostii RHA1 und Untersuchung seiner biosynthetischen Maschinerie
title: Structural characterization of the siderophore rhodochelin from Rhodococcus jostii RHA1 and elucidation of its biosynthetic machinery
Creators: name: Bosello, Mattia
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Siderophore
formyltransferase
Chemie
NRPS
cross-talk
rhodochelin
siderophore

description: Rhodococci represent an important
      genus of industrial interest, both because of their role in
      bioremediation and biocatalysis, as well as for their
      potential as producers of natural products. In this context,
      the genome sequencing of the biphenyl-degrading soil
      bacterium Rhodococcus jostii RHA1 represents the first
      attempt to harness the biosynthetic metabolic potential of
      the genus Rhodococcus, by enabling the systematic exploration
      of its natural product-producing capabilities. The genome of
      R. jostii RHA1 contains 23 secondary metabolite gene
      clusters, all considered to be orphan with respect to their
      product, including two clusters putatively involved in
      siderophore biosynthesis. In this study, the isolation,
      structural characterization and genetic analysis of the
      biosynthetic origin of rhodochelin, a unique mixed-type
      catecholate-hydroxamate siderophore isolated from R. jostii
      RHA1, which represents the first characterized NRPS-derived
      natural product of the strain, is reported. Structure
      elucidation of rhodochelin was accomplished via MSn- and
      NMR-analysis and revealed the tetrapeptide to contain an
      unusual ester bond between an
      L-δ-N-formyl-δ-N-hydroxyornithine (L-fhOrn)moiety and the
      side chain of a threonine residue. Bioinformatic analysis of
      the R. jostii RHA1 genome revealed the enzymes responsible
      for siderophore biosynthesis to be encoded in three distant
      NRPS gene clusters. Single gene deletions within the three
      putative biosynthetic gene clusters abolished rhodochelin
      production, proving that the ORFs responsible for rhodochelin
      biosynthesis are located in different chromosomal loci.
      Biochemical characterization of the monooxygenase Rmo and the
      formyltransferase Rft established a route for the
      biosynthesis of the nonproteinogenic amino acid L-fhOrn,
      prior to its incorporation into the peptide scaffold by the
      NRPS-assembly line. The insights gained from the structural
      and functional characterization of rhodochelin, together with
      the genetic and biochemical characterization of the
      respective biosynthetic gene clusters, allowed the proposal
      of a biosynthetic model for rhodochelin assembly. Finally,
      the efficient and, in this work, first reported cross-talk
      between three distantly located secondary metabolite gene
      clusters provides deep insights into natural product
      biosynthesis that may facilitate future attempts to isolate
      new natural products.
description: Bei den Rhodococci handelt es sich
      um ein bakterielles Genus von industrieller Relevanz, welches
      bei der biologischen Dekontaminierung und Biokatalyse zum
      Einsatz kommt und dessen Mitglieder großes Potential als
      Produzenten neuer Naturstoffe zeigen. In diesem Zusammenhang
      stellt die Genomsequenzierung des Biphenyl-abbauenden
      Bodenbakteriums Rhodococcus jostii RHA1 den ersten Versuch
      dar das biosynthetische Potential des Genus Rhodococcus
      auszuloten, da das Vorliegen der kompletten Genomsequenz die
      systematische Erforschung der Naturstoffproduktion erlaubt.
      Das Genom von R. jostii RHA1 enthält 23
      Sekundärmetabolit-Gencluster, darunter zwei putative
      Siderophor- Biosynthesecluster, wobei alle als „orphan“ zu
      bezeichnen sind, da ihnen kein konkretes Produkt zugeordnet
      werden kann. In der vorliegenden Arbeit soll die Isolierung,
      strukturelle Charakterisierung und genetische sowie
      biochemische Analyse des biosynthetischen Ursprungs von
      Rhodochelin, dem ersten aus R. jostii RHA1 isolierten
      „mixed-type“ Catechol-Hydroxamat Siderophore, welches das
      erste charakterisierte NRPS-abhängige Naturprodukt dieses
      Stamms darstellt, behandelt werden. Zur Strukturaufklärung
      von Rhodochelin wurden sowohl MSnals auch NMR-Studien
      durchgeführt, welche ergaben, dass es sich um ein Tetrapeptid
      handelt, das eine ungewöhnliche Esterbindung zwischen einem
      L-δ-NFormyl- δ-N-hydroxy-Ornithinrest (L-fhOrn) und einer
      Threoninseitenkette enthält. Eine bioinformatische Analyse
      des R. jostii RHA1 Genoms zeigte, dass die für die
      Biosynthese verantwortlichen Gene in drei unterschiedlichen,
      voneinander weit entfernten NRPS-Genclustern lokalisiert
      sind. Durch Einzelgendeletionen in den jeweiligen Clustern,
      durch welche die Rhodochelinproduktion komplett aufgehoben
      wurde, konnte eindeutig gezeigt werden, dass die für die
      Rhodochelin- Biosynthese verantwortlichen Gencluster in drei
      unterschiedlichen Loci auf dem R. jostii RHA1 Chromosom
      vorliegen. Durch die biochemische Charakterisierung der
      Monooxygenase Rmo und der Formyltransferase Rft konnte ein
      Biosyntheseweg für die nicht-proteinogene Aminosäure L-fhOrn
      etabliert werden, welche anschließend durch die
      NRPS-Maschinerie in das Peptidgerüst eingebaut wird. Mit
      Hilfe der durch die strukturelle und funktionelle
      Charakterisierung von Rhodochelin, sowie der genetischen und
      biochemischen Analysen der verantwortlichen Biosynthese-
      Gencluster gewonnen Einsichten, konnte eine Biosyntheseroute
      für das Siderophor Rhodochelin postuliert werden. Die aus der
      vorliegenden Arbeit gewonnenen Erkenntnisse bezüglich des
      effizienten und vormals unbekannten „cross-talks“ zwischen
      drei weit voneinander entfernten
      Sekundärmetabolit-Genclustern erlauben neue Einblicke in die
      Organisation des bakteriellen Sekundärmetabolismus und tragen
      zu einem besseren Verständnis der Biosynthese von
      Naturstoffen bei. Des Weiteren können die gewonnenen
      Ergebnisse als Ausgangspunkt für eine zukünftige Isolierung
      neuer Naturstoffe dienen.