@phdthesis{Dehm2020,
  author    = {Dehm, Daniel},
  title     = {Development of concepts for the genomic mining of novel secondary metabolites in symbiotic cyanobacteria},
  doi       = {10.25932/publishup-47834},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-478342},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {VIII, 122, XII},
  year      = {2020},
  abstract  = {Naturstoffe sind seit der goldenen {\"A}ra der Antibiotika von immer gr{\"o}ßerem Interesse, sowohl f{\"u}r die Grundlagenforschung als auch die Angewandten Wissenschaften, da sie die Hauptquelle f{\"u}r neuartige Pharmazeutika mit starken antibiotischen, anti-entz{\"u}ndlichen und Antitumor-Aktivit{\"a}ten darstellen. Neben den technologischen Fortschritten im Bereich der Hochdurchsatz Genomsequenzierung und dem verbesserten Verst{\"a}ndnis des modularen Aufbaus der Biosynthesewege von Sekund{\"a}rmetaboliten, kam es auch zu einem Wechsel vom labor-gest{\"u}tzten Screening aktiver Zellextrakte hin zum Algorithmen-basierten in silico Screening nach neuen Naturstoff-Biosyntheseclustern. Obwohl die steigende Zahl verf{\"u}gbarer Genomsequenzen zeigte, dass nicht-ribosomale Peptid-Synthetasen (NRPS), Polyketid-Synthasen (PKS), und ribosomal synthetisierte und posttranslational modifizierte Peptide (RiPPs) ubiquit{\"a}r in allen Sparten des Lebens gefunden werden k{\"o}nnen, so zeigen einige Phyla wie Actinobakterien oder Cyanobakterien eine besonders hohe Dichte an Sekund{\"a}rmetabolitclustern. Der fakultativ symbiotische, N2-fixierende Modellorganismus N. punctiforme PCC73102 ist ein terrestrisches typ-IV Cyanobakterium, welches nicht nur einen besonders hohen Anteil seines Genoms der Produktion von Sekund{\"a}rmetaboliten widmet, sondern zus{\"a}tzlich noch genetisch modifizierbar ist. Eine AntiSMASH Analyse des Genoms zeigte, dass N. punctiforme insgesamt sechzehn potentielle Sekund{\"a}rmetabolitcluster besitzt, von denen aber bis heute nur zweien ein spezifisches Produkt zugewiesen werden konnte. Das macht N. punctiforme zu einem perfekten Testorganismus f{\"u}r die Entwicklung eines neuartigen kombinatorischen Genomic Mining Ansatzes zur Detektion von bislang unbeschriebenen Naturstoffen. Der neuartige Ansatz, der im Rahmen dieser Studie entwickelt wurde, stellt eine Kombination aus Genomic Mining, unabh{\"a}ngigen Monitoring-Techniken sowie modifizierten Kultivierungsbedingungen dar und f{\"u}hrte nicht nur zu neuen Erkenntnissen im Bereich cyanobakterieller Naturstoffsynthese, sondern letztlich auch zur Entdeckung eines neuen, von N. punctiforme produzierten, Naturstoffs. Die Herstellung und Untersuchung einer Reporterstamm Bibliothek, bestehend aus je einem CFP-produzierenden Transkriptionsreporter f{\"u}r jedes der sechzehn Sekund{\"a}rmetabolitcluster von N. punctiforme, zeigte, dass im Gegensatz zur Erwartung nicht alle Biosynthesecluster f{\"u}r die man kein Produkt nachweisen kann auch nicht exprimiert werden. Stattdessen konnten klar definierbare Expressionsmuster beschrieben werden, was deutlich machte, dass die Naturstoffproduktion einer engen Regulation unterliegt und nur ein kleiner Teil der Biosynthesecluster unter Standardbedingungen tats{\"a}chlich still sind. Dar{\"u}ber hinaus f{\"u}hrte die Erh{\"o}hung der Lichtintensit{\"a}t sowie der Kohlenstoffdioxid-Verf{\"u}gbarkeit zusammen mit der Kultivierung von N. punctiforme zu extrem hohen Zelldichten zu einer starken Erh{\"o}hung der gesamten metabolischen Aktivit{\"a}t des Organismus. N{\"a}here Untersuchungen der Zellextrakte dieser hoch-dichte Kultivierungen f{\"u}hrten letztlich zur Entdeckung einer neuartigen Gruppe von Microviridinen mit verl{\"a}ngerter Peptidsequenz, welche Microviridin N3-N9 genannt wurden. Sowohl die Kultivierung der Transkriptionsreporter als auch die RTqPCR-basierte Untersuchung der Transkriptionslevel der verschiedenen Biosynthesecluster zeigten, dass die hoch-Zelldichte Kultivierung von N. punctiforme zu einer Aktivierung von 50\% der vorhandenen Sekund{\"a}rmetabolitcluster f{\"u}hrt. Im Gegensatz zu dieser sehr breit-gef{\"a}cherten Aktivierung, f{\"u}hrt die Co-Kultivierung von N. punctiforme in chemischen oder physischen Kontakt zu einer N-gehungerten Wirtspflanze (Blasia pusilla) zu einer sehr spezifischen Aktivierung der RIPP4 und RiPP3 Biosynthesecluster. Obwohl dieser Effekt mittels verschiedener unabh{\"a}ngiger Methoden best{\"a}tigt werden konnte und trotz intensiver Analysebem{\"u}hungen, konnte jedoch keinem der beiden Cluster ein Produkt zugeordnet werden. Diese Studie stellt die erste weitreichende, systematische Analyse eines cyanobakteriellen Sekund{\"a}rmetaboloms durch einen kombinatorischen Ansatz aus Genomic Mining und unabh{\"a}ngigen Monitoring-Techniken dar und kann als neue strategische Herangehensweise f{\"u}r die Untersuchung anderer Organismen hinsichtlich ihrer Sekund{\"a}rmetabolit-Produktion dienen. Obwohl es bereits gut beschriebene einzelne Sekund{\"a}rmetabolite gibt, wie beispielweise den Zelldifferenzierungsfaktor PatS in Anabaena sp. PCC7120, so ist der Grad an Regulation der in dieser Studie gezeigt werden konnte bislang beispiellos und die Entschl{\"u}sselung dieser Mechanismen k{\"o}nnte die Entdeckung neuer Naturstoffe stark beschleunigen. Daneben lassen die Ergebnisse aber auch darauf schließen, dass die Induktion der Biosynthesewege nicht das eigentliche Problem darstellt, sondern vielmehr die verl{\"a}ssliche Detektion deren Produkte. Die Erarbeitung neuer Analytik-Strategien k{\"o}nnte somit auch einen deutlichen Einfluss auf die Geschwindigkeit der Entdeckung neuer Naturstoffe haben.},
  language  = {en}
}
@article{DehmKrumbholzBaunachetal.2019,
  author    = {Dehm, Daniel and Krumbholz, Julia and Baunach, Martin and Wiebach, Vincent and Hinrichs, Katrin and Guljamow, Arthur and Tabuchi, Takeshi and Jenke-Kodama, Holger and S{\"u}ssmuth, Roderich D. and Dittmann-Th{\"u}nemann, Elke},
  title     = {Unlocking the spatial control of secondary metabolism uncovers hidden natural product diversity in nostoc punctiforme},
  series = {ACS chemical biology},
  volume    = {14},
  journal   = {ACS chemical biology},
  number    = {6},
  publisher = {American Chemical Society},
  address   = {Washington},
  issn      = {1554-8929},
  doi       = {10.1021/acschembio.9b00240},
  pages     = {1271 -- 1279},
  year      = {2019},
  abstract  = {Filamentous cyanobacteria belong to the most prolific producers of structurally unique and biologically active natural products, yet the majority of biosynthetic gene clusters predicted for these multicellular collectives are currently orphan. Here, we present a systems analysis of secondary metabolite gene expression in the model strain Nostoc punctiforme PCC73102 using RNA-seq and fluorescence reporter analysis. Our data demonstrate that the majority of the cryptic gene clusters are not silent but are expressed with regular or sporadic pattern. Cultivation of N. punctiforme using high-density fermentation overrules the spatial control and leads to a pronounced upregulation of more than 50\% of biosynthetic gene clusters. Our data suggest that a combination of autocrine factors, a high CO2 level, and high light account for the upregulation of individual pathways. Our overarching study not only sheds light on the strategies of filamentous cyanobacteria to share the enormous metabolic burden connected with the production of specialized molecules but provides an avenue for the genome-based discovery of natural products in multicellular cyanobacteria as exemplified by the discovery of highly unusual variants of the tricyclic peptide microviridin.},
  language  = {en}
}
@article{MesserschmidtHochreinDehmetal.2016,
  author    = {Messerschmidt, Katrin and Hochrein, Lena and Dehm, Daniel and Schulz, Karina and Mueller-Roeber, Bernd},
  title     = {Characterizing seamless ligation cloning extract for synthetic biological applications},
  series = {Analytical biochemistry : methods in the biological sciences},
  volume    = {509},
  journal   = {Analytical biochemistry : methods in the biological sciences},
  publisher = {Elsevier},
  address   = {San Diego},
  issn      = {0003-2697},
  doi       = {10.1016/j.ab.2016.05.029},
  pages     = {24 -- 32},
  year      = {2016},
  abstract  = {Synthetic biology aims at designing and engineering organisms. The engineering process typically requires the establishment of suitable DNA constructs generated through fusion of multiple protein coding and regulatory sequences. Conventional cloning techniques, including those involving restriction enzymes and ligases, are often of limited scope, in particular when many DNA fragments must be joined or scar-free fusions are mandatory. Overlap-based-cloning methods have the potential to overcome such limitations. One such method uses seamless ligation cloning extract (SLiCE) prepared from Escherichia coli cells for straightforward and efficient in vitro fusion of DNA fragments. Here, we systematically characterized extracts prepared from the unmodified E. coli strain DH10B for SLiCE-mediated cloning and determined DNA sequence-associated parameters that affect cloning efficiency. Our data revealed the virtual absence of length restrictions for vector backbone (up to 13.5 kbp) and insert (90 bp to 1.6 kbp). Furthermore, differences in GC content in homology regions are easily tolerated and the deletion of unwanted vector sequences concomitant with targeted fragment insertion is straightforward. Thus, SLiCE represents a highly versatile DNA fusion method suitable for cloning projects in virtually all molecular. and synthetic biology projects. (C) 2016 Elsevier Inc. All rights reserved.},
  language  = {en}
}