Flüchtige Inhaltsstoffe von Myxobakterien - Identifizierung, Biosynthese und Funktion
Final Report Abstract
In dem Projekt wurden die von Myxobakterien produzierten flüchtigen Verbindungen charakterisiert. Es stellt die erste größere Untersuchung auf dem Gebiet der von Mikroorganismen produzierten flüchtigen Verbindungen außerhalb der Lebensmittelforschung dar. Die durch ein sehr großes Genom und die Bildung von Fruchtkörpern ausgezeichneten Myxobakterien erwiesen sich als Produzenten sehr unterschiedlicher Verbindungen verschiedener Biogenesewege. Die flüchtigen myxobakteriellen Verbindungen lassen sich vier größeren Substanzgruppen zuordnen, den der Fettsäurebiosynthese entstammenden aliphatischen Verbindungen, den Aromalen, den (Sesqui)terpenen und den Pyrazinen und Acetoine. Die ebenfalls häufig von Bakterien produzierten Schwefelverbindungen spieln bei den Myxobakterien eine eher untergeordnete Rolle. Die Biosynthesewege zu den für Actinomyceten, Myxobakterien und Cyanobakterien typischen Duftstoffe Geosmin und 2-Methylisoborneol konnten durch Synthese und Verfütterung Deuterium-markierter Vorstufen und die Verwendung von Mutanten aufgeklärt werden. Diese Ergebnisse wurden später durch molekularbiologische Methoden anderer Gruppen bestätigt. Neben diesen terpenoiden Verbindungen wurde auch die Biosynthese mehr singular auftretender Verbindugen wie 9-Methyl-1-phenyldecan-1-on, 2-Methyltetrahydrothiophen-3-on und von Dialkylpyrazinen geklärt werden. Die Dialkylpyrazine werden über Aminoaldehyde gebildet und stellen offenbar einen Entgiftungsweg für diese zelltoxischen Verbindungen dar, wie er auch für Aectoin verwendet wird. Über eine Analyse von über 200 Stämmen konnten relevante Verbindungen gefunden werden, die in bestimmten Bakterienclustern auftreten. In Biotests, die in der Arbeitsgruppe Müller aus Saarbrücken durchgeführt wurden, zeigte sich, dass 9-Methyldecan-3-ol und 9-Methyl-1-phenyldecan-1-on die Ausbildung von Fruchtkörpern unter Hungerbedingungen hemmen. Entsprechend werden diese Verbindungen während der Fruchtkörperbildung nicht freigesetzt. Sie könnten daher eine regulatorische Rolle spielen. Einige der identifizierten flüchtigen Verbindungen zweigen antimikrobielle Aktivität. 2-Methylisoborneol kann offenbar in die Quorum-sensing Signalsysteme anderer Bakterien eingreifen, wie unsere Untersuchungen in Zusammenarbeit mit Dr. Sasse vom HZI aus Braunschweig zeigten. Diese Verbindung bildet zusammen mit weiteren verwandten Verbindung die neue Klasse der methylierten Monoterpene. Die Untersuchungen der in Myxobakterein häufig auftretenden verzweigten Fettsäuren zeigten, dass ihre Biosynthese über 15-Melhylhexadecansäure abläuft. Diese wird durch eine für nahe der Säuregruppe unverzweigte Fettsäuren bisher nicht beschriebene o-Oxidation sukzessive verkürzt, um das beobachtete Fettsäuremuster zu erhalten. Auch die Seitenkette von 9-Methyl-1-phenyldecan-1-on wird so gebildet. Die Struktur einer neuen Klasse von Fettsäuren, den terminal mit einer Imidazolgruppierung versehen Imidazinen wurde durch Totalsynthese verifiziert. Diese Imidazine A und B befinden sich zur Zeit in der biologischen Testung. Aus dem Projekt sind neben den geschilderten Ergebnisse vielfältige Anknüpfungen entstanden, die zur Zeit weiter verfolgt werden. Dies betrifft insbesondere die Identifizierung vieler unbekannter Verbindungen, dis Synthese neuer Fettsäuren und die Funktion der identifizierten Verbindungen. Herr Dr. Jeroen Dickschat, der am Anfang mitbeteiligt war, ist mittlerweile Emmy-Noether-Stipendiat und beschäftigt sich insbesondere mit der Biosynthese von Sesquiterpenen.
Publications
- Biosynthesis of iso-fatty acids in myxobacteria: iso-even fatty acids are derived from a-oxidation of iso-odd fatty acids", J. Am. Chem. Soc 127, 532-533 (2005)
H. B. Bode, J. S. Dickschat, R. M. Kroppenstedt, S. Schulz, R. Müller
- „A Novel Type of Geosmin Biosynthesis in Myxobacteria", J. Org. Chem 70, 5174- 5182 (2005)
J. S. Dickschat, H. B. Bode, T. Mahmud, R. Müller, S. Schulz
- „Biosynthesis and identification of volatiles released by the myxobacterium Stigmatella aurantiaca", ChemBioChem 6, 2023-2033 (2005)
J. S. Dickschat, H. B. Bode, S. C. Wenzel, R. Müller, S. Schulz
- „Fatty acid composition and biosynthesis in Myxobacteria"', Org. Biomol. Chem. 3, 2824-2831 (2005)
J. S. Dickschat, H. B. Bode, R. M. Kroppenstedt, R. Müller, S. Schulz
- „Novel Pyrazines from the Myxobacterium Chondromyces crocatus and Marine Bacteria", Eur J. Org. Chem. 2005, 4141-4153
J. S. Dickschat, H. Reichenbach, I. Wagner-Döbler, S. Schulz
- „Novel iso-branched etherlipids as specific markers of developmental sporulation in the myxobacterium Myxococcus xanthus", J. Biol. Chem. 281, 36691-36700 (2006)
M. W. Ring, G. Schwär, V. Thiel, J. Dickschat, R. M. Kroppenstedt, S. Schulz, H. B. Bode
- „Bacterial volatiles: the smell of small organisms", Nat. Prod. Rep. 24, 814-842 (2007)
S. Schulz, J. Dickschat
- „Biosynthesis of the Off-flavor 2-Methylisoborneol by the Myxobacterium Nannocystis exedens", Angew. Chem. 119, 8436-8439 (2007) und Angew. Chem. Int. Ed. 46, 8287-8290 (2007)
J. S. Dickschat, T Nawrath, V. Thiel, B. Kunze, R, Müller, S. Schulz
- „Identification of (8S,9S,10S)-8,10-dimethyM-1octalin, a key intermediate in the biosynthesis of geosmin in bacteria", J. Am. Cham. Soc. 130, 430-431 (2008)
T Nawrath, J. S. Dickschat, R. Müller, J. Jang, D. E. Cane, S. Schulz
- „Biological Activity of Volatiles from Marine and Terrestrial Bacteria", Mar Drugs 8, 2976-2987(2010)
S. Schulz, J. S. Dickschat, B. Kunze, I. Wagner-Döbler, R. Diestel, R. Sasse
- „The biosynthesis of branched dialkylpyrazines in myxobacteria", Chem. Biodiversity 7,2129-2144(2010)
T Nawrath, J. S. Dickschat, B. Kunze, S. Schulz
- „The biosynthesis of the aroma volatile 2-methyltetrahydrothiophen-3-one in the bacterium Chitinophaga Fx7914", ChemBioChem 11, 1914-1919 (2010)
T. Nawrath, K. Gerth, R. Müller, S. Schulz
- „Volatile methyl esters of medium chain length from the bacterium Chitinophaga Fx7914", Chem. Biodiversity 7, 2228-2253 (2010)
T. Nawrath, K. Gerth, R. Müller, S. Schulz
- „A Detailed View of 2-Methylisoborneoi Biosynthesis" Angew. Chem. Int. Ed.
N. L. Brock, S. R. Ravella, S. Schulz, J. S. Dickschat
(See online at https://doi.org/10.1002/anie.201209173)
