Mechanismen der C-Domänen-vermittelten Lipoinitiation in der nichtribosomalen Peptidsynthese

Nichtribosomal synthetisierte Lipopeptide aus mikrobiellen Organismen weisen ein breites Spektrum an biologischen Aktivitäten auf, zu denen beispielsweise antibiotische, antitumorale aber auch biotensidische Eigenschaften zählen. Daher sind diese Naturstoffe von pharmazeutischem sowie biotechnologischem Interesse und stellen einen Gegenstand intensiver gegenwärtiger Forschung dar. Die Biosynthese dieser Lipopeptide beginnt in der Regel mit der Inkorporation des Fettsäurerestes, die durch eine N-Acylierung des Peptidrückgrats stattfindet und als Lipoinitiation bezeichnet wird. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Aufklärung verschiedener Lipoinitiationsmechanismen, zu denen die Aktivierung und die Übertragung des Fettsäurerests gehört. In den Biosynthesewegen des Lipoheptapeptids Surfactin aus Bacillus subtilis und des sauren Lipodepsipeptids CDA (engl.: calcium-dependent antibiotic) aus Streptomyces coelicolor A3(2) konnten diese Reaktionen biochemisch charakterisiert werden. Diese stellen zwei neue Strategien der Lipoinitiation dar. Dazu wurden die beteiligten Domänen der nichtribosomalen Peptidsynthetasen (NRPS) heterolog als singuläre Proteine produziert und die Substrate, sofern nötig, chemisch synthetisiert. In den biochemischen Untersuchungen zeigte sich, dass in beiden Reaktionen die Kondensations(C)-Domäne des Initiationsmoduls der jeweiligen Peptidsynthetase als Acyltransferase wirkt und für den Transfer der Fettsäure essentiell ist. Die Notwendigkeit des aus anderen C-Domänen bekannten katalytisch aktiven Motivs HHxxxDG konnte durch Mutationsstudien in den hier untersuchten Initiations-C‑Domänen bestätigt werden und deutet auf einen universellen Katalysemechanismus der Familie der C‑Domänen hin. Die beiden untersuchten Systeme der Lipoinitiation der Surfactin- und CDA-Biosynthese zeigten jedoch auch Unterschiede. Während in der Surfactinsynthese eine durch Enzyme aus dem Primärmetabolismus CoA-aktivierte Fettsäure mit der Peptidyl-Carrier-Protein(PCP)-gebundenen Aminosäure kondensiert wird, wird die Fettsäure in der CDA-Biosynthese von einem Acyl-Carrier-Protein ausgehend übertragen. In beiden Reaktionen zeigten sich ausgeprägte Spezifitäten mit Ausnahme der Selektivität für die PCP‑Domäne, die in beiden Systemen durch fremde PCP-Domänen substituiert werden konnte. Der zweite Teil der Arbeit bestand aus der Charakterisierung der eng mit C-Domänen verwandten Zyklisierungs-Domäne aus der Bacitracin-Synthetase BacA-Cy2. Diese katalysiert die Bildung des Thiazolinrings in dem Antibiotikum Bacitracin aus Bacillus licheniformis und wurde in dieser Arbeit ebenfalls als freistehendes Protein heterolog produziert, wodurch eine genaue Charakterisierung und Bestimmung der ausgeprägten Substratspezifität ermöglicht wurde