Strukturbiologische und biochemische Untersuchungen des Bottromycin Biosyntheseweges und dessen biotechnische Nutzung

• Antragsteller: Professor Dr. Jesko-Alexander Koehnke
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 261144906

Seit ihrer Entdeckung sind Antibiotika die Wirkstoffe mit dem größten Einfluss auf unsere Gesellschaft und für die modern Medizin absolut essentiell. Der leichte Zugang zu Antibiotika und ihre globale, viel zu häufige und falsche Verwendung hat dazu geführt, dass sich Antibiotikaresistenzen (AMR) vor allem in humanpathogenen Bakterien immer schneller bilden und ausbreiten. Zusammen mit der stark verringerten Industrieaktivität auf dem Gebiet der Antibiotikaforschung ist AMR zu einer ernsthaften, weltweiten Bedrohung für unsere Gesundheit geworden. Die traditionellen Ansätze zur Bekämpfung von AMR sind nicht mehr ausreichend. Diese haben bisher auf der Synthese oder Semisynthese von neuen Wirkstoffderivaten bereits bekannter Verbindungen beruht. Es bedarf nun aber Verbindungen mit einem neuen Wirkmechanismus und/oder neuer chemischer Leitstrukturen.Bottromycine wurden ursprünglich als antibakterielle Peptide beschrieben, deren Biosynthese unbekannt war. Die natürlich vorkommende Variante Bottromycin A2 hat sehr gute Aktivität gegen Gram-positive Bakterien gezeigt, vor allem auch gegen bereits antibiotikaresistente Bakterien, wie vancoymycin-resistente Enterococci und methicillin-resistente Staphylococcus aureus. Noch wichtiger als ihre Aktivität ist die Tatsache, dass sie eine neue Leitstruktur sind, und einen neuen Wirkmechanismus haben – sie binden an die A-Stelle des prokaryotischen 50S Ribosoms und inhibieren so die Proteinbiosynthese. In 2012 wurde der biosynthetische Gencluster veröffentlich und gezeigt, dass Bottromycine zur Klasse der ribosomal produzierten und posttranslational modifizierten Peptide (RiPPs) gehören. Wie alle RiPPs beginnt die Biosynthese mit der Expression eines kleinen Vorläuferpeptides, das aus einem core Peptid (der spätere Naturstoff) und einem follower Peptid (wichtig für die Erkennung durch die biosynthetischen Enzyme) besteht. Durch biochemische und strukturbiologische Experimente haben wir die Reihenfolge der biosynthetischen Schritte in der Bottromycin-Biosynthese aufgeklärt und dabei nicht nur den zentralen Regulator, sondern auch einen ungewöhnlichen Resistenzmechanismus identifiziert.Aufbauend auf diesen Daten werden wir nun die Struktur der Bottromycin Makrozyklase bestimmen. Dieses ungewöhnliche YcaO-Enzym ist für die Biosynthese der Makroamidinbindung verantwortlich und in der Lage, eine Reihe von Makrozyklen aus nur vier Aminosäuren herzustellen. Diese kleinen Makrozyklen sind extrem schwierig organisch-chemisch zu synthetisieren. Wir werden die Substrattoleranz des Enzyms erforschen und mit Hilfe der Strukturdaten gezielt vergrößern. Zusätzlich werden wir die Entstehung der D-Aminosäure in Bottromycinen untersuchen, die durch Epimerisierung einer L-Aminosäure auf unbekannte Art hergestellt wird.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen