title: Genome Mining, Isolation and Characterization of Novel Lasso Peptides and Their Utilization in Drug Development
title: Genome Mining, Isolierung und Charakterisierung von neuartigen Lassopeptiden und ihre Nutzung in der Wirkstoffentwicklung
Creators: name: Hegemann, Julian David
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: lasso peptide
Naturstoffchemie
Peptide
Biochemie
RIPPs
Chemie
epitope grafting
Lassopeptide
Epitope Grafting
Biosynthese
Wirkstoffentwicklung
ribosomal synthetisierte Naturstoffe
Naturstoff
Strukturaufklärung
drug development
ribosomally-assembled natural products

description: Lasso peptides are a class of
      natural products that belong to the family of
      ribosomally‑assembled and posttranslationally‑modified
      peptides. They are defined by an unique structural motif
      referred to as the so‑called lariat knot, whose name is
      derived from the fact that this topology is reminiscent of
      the knot found in the noose of a lasso. This structure is
      achieved by the presence of an N‑terminal macrolactam ring
      that is threaded by the C‑terminal tail of the peptide. The
      fold in these molecules is then conserved by non‑covalent
      interactions in the form of bulky amino acids located above
      and below the macrolactam ring, in this way entrapping the
      tail inside of the ring. What makes these compounds of
      interest for research is that their structure, even though it
      is maintained merely by sterical interactions, often exhibits
      a tremendous stability against thermal, chemical and
      proteolytic degradation. Still, up to now little is known
      about the general function of these compounds for their
      producing organisms, although there are some interesting
      biological activities attributed to some of the previously
      reported lasso peptides. To obtain more information about
      their physico‑chemical properties, their biosynthesis and to
      get an idea what role they might play in nature, the primary
      subject of this thesis was the directed genome mining for and
      the subsequent isolation and characterization of novel lasso
      peptides. The results of these projects were published in
      several studies that will be shown and discussed in the
      course of this thesis. Amongst other findings, these studies
      not only include the discovery of a multitude of novel lasso
      peptides, but through the thorough analysis and
      characterization of these compounds, several former
      assumptions of this research area could be overhauled and
      updated. In addition to this, the bioinformatic data gathered
      during our genome mining studies furthermore uncovered
      interesting facts about the distribution of lasso peptides
      amongst bacteria and about the existence of different
      subgroups of biosynthetic gene cluster arrangements, which
      could facilitate future research directed towards
      identifiying the concrete functions of these compounds.
      Furthermore, it was also investigated if these compounds are
      suitable scaffolds for drug development via epitope grafting
      approaches. In this regard, a previously reported bioactive
      lasso graft was used as the basis to show that such compounds
      can indeed be further optimized and improved upon by rational
      approaches that utilize the information obtained from
      research done with simple linear or cyclic peptides that are,
      in contrast to lasso peptides, easily accessible by synthetic
      means.
description: Lassopeptide sind eine Klasse von
      Naturstoffen, die der Familie der ribosomal‑synthetisierten
      und posttranslational‑modifizierten Peptide zugehörig sind.
      Sie sind gekennzeichnet durch das einzigartige Strukturmotiv
      des Lassoknotens, dessen Name sich von der Beobachtung
      ableitet, dass diese Topologie an den Knoten in einer
      Lassoschlinge erinnert. Diese Struktur wird durch einen
      N‑terminalen Makrolactamring verwirklicht, der von dem
      C‑terminalen Peptidschwanz durchfädelt ist. Die Faltung
      dieser Moleküle wird durch nicht‑kovalente Wechselwirkungen
      sterisch anspruchsvoller Aminosäuren, die über und unter dem
      Ring lokalisiert sind, aufrecht erhalten, wodurch der
      C‑terminale Bereich des Peptids im Inneren des Ringes fixiert
      wird. Was diese Verbindungen interessant für die Forschung
      macht ist, dass ihre Struktur trotz ihrer rein sterischen
      Stabilisierung oft eine außergewöhnliche Resistenz gegenüber
      thermischer, chemischer und proteolytischer Degradation
      aufweist. Dennoch ist bisher wenig über die allgemeine
      Funktion dieser Stoffe in der Natur bekannt, obwohl es einige
      zuvor beschriebene Lassopeptide gibt, für die interessante
      biologische Aktivitäten beobachten wurden. Um mehr
      Information über ihre physiko‑chemischen Eigenschaften, ihre
      Biosynthese und ihre mögliche Rolle in der Natur zu erhalten,
      war das primäre Ziel dieser Arbeit das gezielte Genome Mining
      und die darauffolgende Isolierung und Charakterisierung
      neuartiger Lassopeptide. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen
      wurden in mehreren Studien publiziert, die im Verlauf dieser
      Doktorarbeit präsentiert und diskutiert werden sollen. Neben
      der Isolierung einer Vielzahl neuer Lassopeptide, konnten
      durch die sorgfältige Untersuchung und Charakterisierung
      dieser neuen Verbindungen zusätzlich einige bisher
      vorherrschende Vorstellungen aus diesem Forschungsgebiet
      widerlegt und aktualisiert werden. Ferner hat die Auswertung
      der Daten aus unseren Genome‑Mining‑Studien interessante
      Beobachtungen über das Vorkommen von Lassopeptiden in
      Bakterien und über die Existenz verschiedener Subgruppen von
      Biosynthesegencluster-andordnungen zugelassen. Diese
      Informationen könnten zukünftige Untersuchungen erleichtern,
      die auf die Identifizierung der konkreten Funktionen dieser
      Verbindung ausgelegt sind. Des Weiteren wurde untersucht ob
      Lassopeptide geeignete Gerüste für die Wirkstoffentwicklung
      durch Epitope‑Grafting‑Ansätze sind. In dieser Hinsicht wurde
      eine vorher veröffentlichte, bioaktive Lassopeptidvariante
      als Basis genommen, um zu zeigen, dass solche Verbindungen in
      der Tat durch rationale Ansätze optimiert und verbessert
      werden können. Dieses Vorgehen basierte auf
      Forschungsergebnissen, die aus Studien mit linearen und
      zyklischen Peptiden erhalten wurden, welche, im Gegensatz zu
      Lassopeptiden, leicht durch chemische Synthese zugänglich
      sind.