Evolution modularer Multienzymsysteme des bakteriellen Sekundärstoffwechsels

Modulare Polyketidsynthasen (PKS) sind Multienzymsysteme des bakteriellen Sekundärstoffwechsels. An ihnen läuft eine schrittweise Biosynthese vielfältiger Kohlenstoff-Gerüste ab, die von einfachen Carbonsäure-Einheiten ausgeht. Polyketid-Verbindungen zeigen eine große Bandbreite pharmazeutisch interessanter Aktivitäten. In dieser Arbeit wurde eine Reihe von Evolutionsstudien durchgeführt. Zunächst wurden die phylogenetischen Beziehungen zwischen modularen PKS und anderen PKS-Systemen sowie Fettsäuresynthasen untersucht, wodurch ihre zentrale Stellung innerhalb eines langen Evolutionsprozesses gezeigt werden konnte. Eine detaillierte Analyse der Phylogenien von Domänen bakterieller modularer PKS ergab, dass das Ausmaß an Genduplikationen, Genverlusten und Ereignissen horizontalen Gentransfers zwischen den verschiedenen Bakteriengruppen beträchtlich variiert. Aus der Genomsequenz des Actinobakteriums Streptomyces avermitilis wurden die Phylogenien aller Domänentypen rekonstruiert. Der Vergleich dieser Einzelphylogenien ermöglichte es, eine Reihe von homologen Rekombinationsereignissen aufzufinden. Homologe Rekombination scheint der Hauptmechanismus zu sein, auf dem die Strukturvielfalt der Polyketide in Bakterien beruht. Mit Hilfe eines „genome mining“-Ansatzes konnte im Genom des Cyanobakteriums Nostoc punctiforme eine Reihe von Biosynthese-Clustern, die zu den PKS und nichtribosomalen Peptidsynthetasen gehören, identifiziert werden. Durch chromatographische und massenspektrometrische Analysen von Zellextrakten und Kulturüberständen konnten einige der Biosynthese-Cluster bestimmten Metaboliten zugeordnet werden. Eines der Cluster wurde hinsichtlich des produzierten Metaboliten und der Regulationsstruktur eingehender charakterisiert. Die Folgerungen aus den gewonnen Ergebnissen werden im allgemeinen Zusammenhang der Evolution metabolischer Diversität ausführlich diskutiert.Modular polyketide synthases (PKS) are multienzym systems of bacterial secondary metabolism. They perform a stepwise biosynthesis of diverse carbon skeletons from simple carboxylic acid units. Polyketide compounds possess a wide range of pharmaceutically interesting activities. In this study, a series of evolutionary analyses was performed. Initially, the phylogenetic relationships between modular PKS and other PKS systems as well as fatty acid synthases were investigated revealing their central position within a long evolutionary process. In detail reconstruction of the phylogenies of bacterial modular PKS domains demonstrated that the extent of gene duplications, gene losses and horizontal gene transfer events varies considerably between different bacterial groups. Using the genome sequence of the actinobacterium Streptomyces avermitilis the phylogenies of all domain types were reconstructed. Comparison of these phylogenies allowed for detecting numerous events of homologous recombination, which appears to be the main mechanism underlying polyketide structural diversity in bacteria. A genome mining approach revealed a number of biosynthesis clusters of the PKS and nonribosomal peptide synthetase type in the genome of the cyanobacterium Nostoc punctiforme. Cell extracts and culture supernatants were analysed by means of liquid chromatography and mass spectrometry and some of the biosynthesis clusters could be assigned to specific metabolites. One of the clusters was characterised in greater detail regarding the produced metabolite and the cluster’s regulatory structure. The implications of the results are extensively discussed within the general context of the evolution of metabolic diversity