Antibacterial secondary metabolites from four endophytic fungi, Eupenicillium sp., Diaporthe sp., Fusarium decemcellulare and Alternaria sp.
Creators: name: Li, Gang
Publisher: name: Technische Universität Dortmund
Year: 2016
Subjects: subject: Antibiotics
subject: Endophytes
subject: Secondary metabolites
subject: Antibacterial activity
subject: 540
subject: 570

description: Endophytes are microorganisms that colonize living, internal tissues of host plants for at least a part of their life cycle without causing any immediate, visible manifestation of disease. Endophytic microorganisms as a promising source of antibacterial natural products have attracted considerable attention. The main objective of this study was isolation, identification and antibacterial evaluation of secondary metabolites from endophytic fungi harbored in Chinese medicinal plants Xanthium sibiricum, Mahonia fortunei, and Lonicera japonica, which have been used in Traditional Chinese Medicine (TCM) for treating bacterial infection-related ailments. An endophyte, Eupenicillium sp. LG41 was isolated from the root of X. sibiricum. Twenty-two secondary metabolites including six decalin motif-containing compounds (five new) (1-6), two new sirenin derivatives (7 and 8), three pigments (one new) (9-11), eight paraconic acids and alkylitaconic acids (three new natural products) (12, 14, 16, 19, and 21-24), and three other known compounds (25-27), were isolated from the rice, PDB or modified PDB medium using the OSMAC approach. Four methylated derivatives (13, 15, 17, and 20) and an isomerization product (18) of paraconic acids were obtained for structure-activity relationship (SAR) analysis. The endophytic fungus Diaporthe sp. LG23 which was isolated from the leaves of M. fortunei collected from Shanghai, China, produced twelve metabolites including a novel tetracyclic triterpenoid with an aromatic B-ring system (28), seven biosynthetically related known steroids (29-35), together with four aromatic or glycosylated compounds (one new) (36-39). Further isolation and identification of endophytic fungi from M. fortunei (stem) collected from a different location, Guangdong, China, afforded an endophyte, Fusarium decemcellulare LG53. Chemical investigation led to the identification of eight compounds: three new cyclic pentapeptides (40-42), two cyclic lipopeptides (one new) (43 and 44), a new pyrone derivative (45), a known xanthone derivative (46), and a reported triterpenoid (47). Alternaria sp. LG19 was derived from the leaves of L. japonica. It was discovered to produce two aromatic metabolites (48 and 53), four well-known Alternaria mycotoxins including altenuene (49), isoaltenuene (50), alternariol (51) and altertoxin I (52), as well as a dicarboxylic acid (54). Altogether, forty-nine compounds were isolated from the above four endophytic fungi and five semi-synthetic derivatives were experimentally produced. Among the isolated compounds, fifteen compounds have new structures and three are new natural products which were reported as synthetic products in the literature. Their planar and relative structures were determined by the interpretation of spectroscopic data, such as IR, UV, HRMSn and NMR, and/or the single crystal X-ray diffraction study, and/or 13C NMR calculation. Their absolute configurations were deduced by one or more of following methods, ECD and optical rotation data, ECD and ORD calculations, Marfey’s method, and the single crystal X-ray diffraction study with a Cu-Kα radiation. The antibacterial efficacies of new compounds were investigated against several Gram-positive and Gram-negative bacteria obtained as clinical or environmental strains. For decalin-containing metabolites, eupenicinicol B (3) had the same efficacy as that of gentamicin against clinically relevant bacterium Staphylococcus aureus at the concentration of 1.0 µg/mL, while eupenicinicol D (5) was more active than 3 with an MIC value of 0.1 µg/mL. These data support the notion that altering the substitution at C-11 could drastically increase the inhibitory activity. The paraconic acid (2S,3R,4S)-4-methyl-5-oxo-2-pentyl-tetrahydro-furan-3-carboxylic acid (12) was discovered to only inhibit tested Acinetobacter spp., especially the multi-drug resistant strain Acinetobacter baumannii. The above data indicated a genus-specific antibacterial compound with a preferred stereochemical configuration. The novel tetracyclic triterpenoid 19-nor-lanosta-5(10),6,8,24-tetraene-1α,3β,12β,22S-tetraol (28) showed pronounced antibacterial efficacy against all the tested organisms, especially against the clinical isolates Streptococcus pyogenes and Pseudomonas aeruginosa. 5 and 28 also demonstrated marked cytotoxicity against human acute monocytic leukemia cell line (THP-1), while 12 exhibited no cytotoxic activity. The results reported in this thesis provide several antibacterial secondary metabolites worthy of further investigation, especially the paraconic acid (12, termed pacbactin), underlining the potential of endophytic fungi as a source of diverse antibiotics.
description: Endophyten sind Mikroorganismen, die lebende innere Gewebe von Wirtspflanzen für zumindest einen Teil des Lebenszyklus besiedeln, ohne sichtbare Erkrankungen auszulösen. Endophytische Mikroorganismen haben beträchtliche Aufmerksamkeit als eine vielversprechende Quelle für antibakterielle Naturprodukte erregt. Das Ziel dieser Forschung war die Isolierung, Identifizierung, und antibakterielle Bewertung der Sekundärmetaboliten endophytischer Pilze aus den chinesischen Heilpflanzen Xanthium sibiricum, Mahonia fortunei und Lonicera japonica, welche in der traditionellen chinesischen Medizin (TCM) zur Behandlung von bakteriellen Infektionen verwendet werden. Ein Endophyt, Eupenicillium sp. LG41 wurde aus der Wurzel von X. sibiricum isoliert. 22 Sekundärmetaboliten, darunter sechs Decalin Motiv-enthaltende Verbindungen (fünf neu) (1-6), zwei neue Sirenin-Derivate (7 und 8), drei Pigmente (ein neues) (9-11), acht Paraconsäuren und Alkylitaconsäuren (drei neue Naturprodukte) (12, 14, 16, 19 und 21-24), und drei weitere bekannte Verbindungen (25-27), wurden aus Kultivierung mit Reis, PDB oder modifiziertem PDB Medium unter Verwendung des OSMAC-Ansatzes isoliert. Vier methylierte Derivate (13, 15, 17 und 20) und ein Isomerisierungsprodukt (18) der Paraconsäure wurden zur Struktur-Aktivitäts-Beziehungs (SAR) -Analyse erhaltet. Der endophytische Pilz Diaporthe sp. LG23, der aus den Blättern von M. fortunei aus Shanghai, China isoliert wurde, produzierte zwölf Metaboliten einschließlich eines neuartigen tetracyclischen Triterpens mit einem aromatischen B-Ringsystem (28), sieben biosynthetisch verwandte und bekannte Steroide (29-35) zusammen mit vier aromatischen oder glycosylierten Verbindungen (eine neu) (36-39). Des Weiteren wurde der endophytische Pilz Fusarium decemcellulare LG53 aus M. fortunei (Stamm) von Guangdong, China isoliert. Chemische Untersuchungen führten zur Identifizierung von achten Verbindungen: drei neue cyclische Pentapeptide (40-42), zwei zyklische Lipopeptide (eins neu) (43 und 44), ein neues Pyron-Derivat (45), ein bekanntes Xanthon-Derivat (46) und ein Triterpenoid (47). Alternaria sp. LG19 wurde aus den Blättern von L. japonica isoliert. Es wurde gezeigt, dass dieser Endophyt zwei aromatische Metaboliten (48 und 53), vier bekannte Alternaria-Mykotoxine einschließlich Altenuen (49), Isoaltenuen (50), Alternariol (51) und Altertoxin I (52), sowie eine Dicarbonsäure produziert (54). Insgesamt wurden 49 Verbindungen aus den genannten endophytischen Pilzen isoliert und fünf halbsynthetische Derivate experimentell hergestellt. Unter den isolierten Verbindungen besitzen 15 Verbindungen neue Strukturen und drei Stoffe konnten als Naturprodukte identifiziert werden, die bisher als synthetische Produkte in der Literatur berichtet wurden. Ihre relativen Strukturen wurden durch die Auswertung spektroskopischer Daten, wie beispielsweise IR, UV, NMR und HRMSn, Einkristall-Röntgenstrukturanalyse und/oder 13C-NMR-Berechnung bestimmt. Ihre absoluten Konfigurationen wurden durch eine oder mehrere Verfahren wie ECD und Drehwinkel, ECD und ORD Berechnungen, Marfey-Analyse und Einkristall-Röntgenbeugungsanalyse mit Cu-Kα-Strahlung bestimmt. Die antibakterielle Aktivität der neuen Verbindungen wurden für verschiedene Gram-positive und Gram-negative Bakterien die als klinische oder Wild-Stämme gelten untersucht. Der Decalin-haltige Metabolit Eupenicinicol B (3) hatte die gleiche Wirkung wie Gentamicin gegen das Bakterium Staphylococcus aureus in einer Konzentration von 1,0 µg/mL, während Eupenicinicol D (5) mit einem MIC-Wert von 0,1 µg/mL aktiver war als 3. Diese Daten unterstützen die Vorstellung, dass eine Änderung der Substitution an C-11 die inhibitorische Aktivität drastisch erhöht. Die Paraconsäure (2S,3R,4S)-4-methyl-5-oxo-2-pentyl-tetrahydro-furan-3-carbonsäure (12) konnte Acinetobacter spp., insbesondere den resistenten Stamm Acinetobacter baumannii, hemmen. Die Ergebnisse zeigen eine gattungsspezifische antibakterielle Verbindung mit einer bevorzugten stereochemischen Konfiguration. Das neuartige tetracyclische Triterpenoid 19-Nor-Lanostan-5(10),6,8,24-tetraen-1α,3β,12β,22S-Tetraol (28) zeigte eine ausgeprägte antibakterielle Wirksamkeit gegen alle getesteten Organismen, vor allem gegen die klinisch-relevanten Srämme Streptococcus pyogenes und Pseudomonas aeruginosa. Die Stoffe 5 und 28 zeigten zusätzlich deutliche Zytotoxizität gegen die menschliche akute monozytäre Leukämie-Zelllinie (THP-1), während 12 keine zytotoxische Aktivität besaß. Die in dieser Arbeit berichteten und strukturell aufgeklärten antibakteriellen Sekundärmetaboliten sollten weitergehend untersucht werden. Insbesondere die Paraconsäure (12, pacbactin) unterstreicht das Potential endophytischer Pilze als Quelle für Antibiotika.