TY - THES A1 - Dehm, Daniel T1 - Development of concepts for the genomic mining of novel secondary metabolites in symbiotic cyanobacteria N2 - Naturstoffe sind seit der goldenen Ära der Antibiotika von immer größerem Interesse, sowohl für die Grundlagenforschung als auch die Angewandten Wissenschaften, da sie die Hauptquelle für neuartige Pharmazeutika mit starken antibiotischen, anti-entzündlichen und Antitumor-Aktivitäten darstellen. Neben den technologischen Fortschritten im Bereich der Hochdurchsatz Genomsequenzierung und dem verbesserten Verständnis des modularen Aufbaus der Biosynthesewege von Sekundärmetaboliten, kam es auch zu einem Wechsel vom labor-gestützten Screening aktiver Zellextrakte hin zum Algorithmen-basierten in silico Screening nach neuen Naturstoff-Biosyntheseclustern. Obwohl die steigende Zahl verfügbarer Genomsequenzen zeigte, dass nicht-ribosomale Peptid-Synthetasen (NRPS), Polyketid-Synthasen (PKS), und ribosomal synthetisierte und posttranslational modifizierte Peptide (RiPPs) ubiquitär in allen Sparten des Lebens gefunden werden können, so zeigen einige Phyla wie Actinobakterien oder Cyanobakterien eine besonders hohe Dichte an Sekundärmetabolitclustern. 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 Sekundärmetaboliten widmet, sondern zusätzlich noch genetisch modifizierbar ist. Eine AntiSMASH Analyse des Genoms zeigte, dass N. punctiforme insgesamt sechzehn potentielle Sekundärmetabolitcluster besitzt, von denen aber bis heute nur zweien ein spezifisches Produkt zugewiesen werden konnte. Das macht N. punctiforme zu einem perfekten Testorganismus für 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, unabhängigen Monitoring-Techniken sowie modifizierten Kultivierungsbedingungen dar und führte 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 für jedes der sechzehn Sekundärmetabolitcluster von N. punctiforme, zeigte, dass im Gegensatz zur Erwartung nicht alle Biosynthesecluster für 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 tatsächlich still sind. Darüber hinaus führte die Erhöhung der Lichtintensität sowie der Kohlenstoffdioxid-Verfügbarkeit zusammen mit der Kultivierung von N. punctiforme zu extrem hohen Zelldichten zu einer starken Erhöhung der gesamten metabolischen Aktivität des Organismus. Nähere Untersuchungen der Zellextrakte dieser hoch-dichte Kultivierungen führten letztlich zur Entdeckung einer neuartigen Gruppe von Microviridinen mit verlängerter 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 Sekundärmetabolitcluster führt. Im Gegensatz zu dieser sehr breit-gefächerten Aktivierung, führt 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 unabhängiger Methoden bestätigt werden konnte und trotz intensiver Analysebemühungen, konnte jedoch keinem der beiden Cluster ein Produkt zugeordnet werden. Diese Studie stellt die erste weitreichende, systematische Analyse eines cyanobakteriellen Sekundärmetaboloms durch einen kombinatorischen Ansatz aus Genomic Mining und unabhängigen Monitoring-Techniken dar und kann als neue strategische Herangehensweise für die Untersuchung anderer Organismen hinsichtlich ihrer Sekundärmetabolit-Produktion dienen. Obwohl es bereits gut beschriebene einzelne Sekundärmetabolite 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 Entschlüsselung dieser Mechanismen könnte 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 verlässliche Detektion deren Produkte. Die Erarbeitung neuer Analytik-Strategien könnte somit auch einen deutlichen Einfluss auf die Geschwindigkeit der Entdeckung neuer Naturstoffe haben. N2 - Since the golden era of antibiotics natural products are of ever growing interest to both basic research and applied sciences as they are the main source of new bioactive compounds delivering lead structures for new pharmaceuticals with potent antibiotic, anti-inflammatory or anti-cancer activities. Alongside the technological advances in high-throughput genome sequencing and the better understanding of the general organization of those modular biosynthetic assembly lines of secondary metabolites, there was also a shift from wet-lab screening of active cell extracts towards algorithm-based in silico screening for new natural product biosynthesis gene clusters (BGCs). Although the increasing availability of full genome sequences revealed that such non-ribosomal peptide synthetases (NRPS), polyketide synthases (PKS) and ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides (RiPPs) can be found in all three kingdoms of life, certain phyla like actinobacteria and cyanobacteria show a very high density of these secondary metabolite BGCs. The facultative symbiotic, N2-fixing model organism N. punctiforme PCC73102 is a terrestrial type IV cyanobacterium that not only dedicates are very large fraction of its genome to secondary metabolite production but is also amenable to genetic modification. AntiSMASH analysis of the genome showed that there are sixteen potential secondary metabolite BGCs encoded in N. punctiforme, but until now there were only two compounds assigned to their respective BGC leaving the remaining fourteen orphan. This makes the organism a perfect subject for the establishment of a novel combinatorial genomic mining approach for the detection of new natural products. In the course of this study a combinatorial approach of genomic mining, independent monitoring techniques and alteration of cultivation conditions lead to new insights in cyanobacterial natural product biosynthesis and ultimately to the description of a novel compound produced by N. punctiforme. With the generation and investigation of a reporter strain library consisting of CFP-producing transcriptional reporter mutants for every predicted secondary metabolite BGC of N. punctiforme, it could be shown that natural product expression is in fact not silent for all those BGCs where no compound can be detected. Instead several distinct expression patterns could be described highlighting that secondary metabolite production is under tight regulation and only a minor fraction of these BGCs is in fact silent under standard laboratory conditions. Furthermore, increasing light intensity and carbon dioxide availability and cultivating N. punctiforme to very high cell densities had a tremendous impact on the overall metabolic activity of the organism. Investigation of high density cultivated cell extracts ultimately lead to the detection of a so far undescribed set of microviridins with unusual extended peptide sequences named Microviridin N3 – N9. Both cultivation of the transcriptional reporter mutants as well as RTqPCR-based detection of secondary metabolite BGC transcription levels revealed that in fact 50% of N. punctiforme’s natural product BGCs are upregulated under high cell density conditions. In contrast to this very broad response, co-cultivation of N. punctiforme in chemical or physical contact with a N-deprived host plant (Blasia pusilla) lead to a very specific upregulation of two natural product BGCs, namely RIPP3 and RIPP4. Although this response could be confirmed by various independent monitoring techniques and heavy analytical efforts were spent, no compound could be assigned to either of these BGCs. This study is the first in-depth systematic investigation of a cyanobacterial secondary metabolome by a combinatorial approach of genome mining and independent monitoring techniques that can serve as a new strategic approach to gain further insight into natural product synthesis of various organisms. Although there are single well described examples of secondary metabolites like the cell differentiation factor PatS in Anabaena sp. strain PCC 7120, the level and extent of regulation observed in this study is unprecedented and understanding of these mechanisms might be the key to streamline natural product discovery. However, the results of this study also highlight that induction of secondary metabolite BGCs is not the real challenge. Instead the new insights point towards analytical issues being a severe hurdle and finding reliable strategies to overcome these problems might as well drive natural product discovery. T2 - Entwicklung von Konzepten für das Genomic Mining von neuartigen Sekundärmetaboliten in symbiotischen Cyanobakterien KW - Cyanobacteria KW - Cyanobakterien KW - Natural Products KW - Naturstoffe KW - Genomic Mining KW - Secondary Metabolites KW - Sekundärmetabolite KW - Nostoc punctiforme Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-478342 ER - TY - THES A1 - Hochrein, Lena T1 - Development of a new DNA-assembly method and its application for the establishment of a red light-sensing regulation system T1 - Entwicklung einer neuartigen DNS-Assemblierungsmethode und ihre Anwendung für die Etablierung eines Rotlicht-responsiven Regulierungssystems N2 - In der hier vorgelegten Doktorarbeit wurde eine Strategie zur schnellen, einfachen und zuverlässigen Assemblierung von DNS-Fragmenten, genannt AssemblX, entwickelt. Diese kann genutzt werden, um komplexe DNS-Konstrukte, wie beispielsweise komplette Biosynthesewege, aufzubauen. Dies dient der Produktion von technisch oder medizinisch relevanten Produkten in biotechnologisch nutzbaren Organismen. Die Vorteile der Klonierungsstrategie liegen in der Schnelligkeit der Klonierung, der Flexibilität bezüglich des Wirtsorganismus, sowie der hohen Effektivität, die durch gezielte Optimierung erreicht wurde. Die entwickelte Technik erlaubt die nahtlose Assemblierung von Genfragmenten und bietet eine Komplettlösung von der Software-gestützten Planung bis zur Fertigstellung von DNS-Konstrukten, welche die Größe von Mini-Chromosomen erreichen können. Mit Hilfe der oben beschriebenen AssemblX Strategie wurde eine optogenetische Plattform für die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae etabliert. Diese besteht aus einem Rotlicht-sensitiven Photorezeptor und seinem interagierenden Partner aus Arabidopsis thaliana, welche in lichtabhängiger Weise miteinander agieren. Diese Interaktion wurde genutzt, um zwei Rotlicht-aktivierbare Proteine zu erstellen: Einen Transkriptionsfaktor, der nach Applikation eines Lichtpulses die Produktion eines frei wählbaren Proteins stimuliert, sowie eine Cre Rekombinase, die ebenfalls nach Bestrahlung mit einer bestimmten Wellenlänge die zufallsbasierte Reorganisation bestimmter DNS-Konstrukte ermöglicht. Zusammenfassend wurden damit drei Werkzeuge für die synthetische Biologie etabliert. Diese ermöglichen den Aufbau von komplexen Biosynthesewegen, deren Licht-abhängige Regulation, sowie die zufallsbasierte Rekombination zu Optimierungszwecken. N2 - With Saccharomyces cerevisiae being a commonly used host organism for synthetic biology and biotechnology approaches, the work presented here aims at the development of novel tools to improve and facilitate pathway engineering and heterologous protein production in yeast. Initially, the multi-part assembly strategy AssemblX was established, which allows the fast, user-friendly and highly efficient construction of up to 25 units, e.g. genes, into a single DNA construct. To speed up complex assembly projects, starting from sub-gene fragments and resulting in mini-chromosome sized constructs, AssemblX follows a level-based approach: Level 0 stands for the assembly of genes from multiple sub-gene fragments; Level 1 for the combination of up to five Level 0 units into one Level 1 module; Level 2 for linkages of up to five Level 1 modules into one Level 2 module. This way, all Level 0 and subsequently all Level 1 assemblies can be carried out simultaneously. Individually planned, overlap-based Level 0 assemblies enable scar-free and sequence-independent assemblies of transcriptional units, without limitations in fragment number, size or content. Level 1 and Level 2 assemblies, which are carried out via predefined, computationally optimized homology regions, follow a standardized, highly efficient and PCR-free scheme. AssemblX follows a virtually sequence-independent scheme with no need for time-consuming domestication of assembly parts. To minimize the risk of human error and to facilitate the planning of assembly projects, especially for individually designed Level 0 constructs, the whole AssemblX process is accompanied by a user-friendly webtool. This webtool provides the user with an easy-to-use operating surface and returns a bench-protocol including all cloning steps. The efficiency of the assembly process is further boosted through the implementation of different features, e.g. ccdB counter selection and marker switching/reconstitution. Due to the design of homology regions and vector backbones the user can flexibly choose between various overlap-based cloning methods, enabling cost-efficient assemblies which can be carried out either in E. coli or yeast. Protein production in yeast is additionally supported by a characterized library of 40 constitutive promoters, fully integrated into the AssemblX toolbox. This provides the user with a starting point for protein balancing and pathway engineering. Furthermore, the final assembly cassette can be subcloned into any vector, giving the user the flexibility to transfer the individual construct into any host organism different from yeast. As successful production of heterologous compounds generally requires a precise adjustment of protein levels or even manipulation of the host genome to e.g. inhibit unwanted feedback regulations, the optogenetic transcriptional regulation tool PhiReX was designed. In recent years, light induction was reported to enable easy, reversible, fast, non-toxic and nearly gratuitous regulation, thereby providing manifold advantages compared to conventional chemical inducers. The optogenetic interface established in this study is based on the photoreceptor PhyB and its interacting protein PIF3. Both proteins, derived from Arabidopsis thaliana, dimerize in a red/far-red light-responsive manner. This interaction depends on a chromophore, naturally not available in yeast. By fusing split proteins to both components of the optical dimerizer, active enzymes can be reconstituted in a light-dependent manner. For the construction of the red/far-red light sensing gene expression system PhiReX, a customizable synTALE-DNA binding domain was fused to PhyB, and a VP64 activation domain to PIF3. The synTALE-based transcription factor allows programmable targeting of any desired promoter region. The first, plasmid-based PhiReX version mediates chromophore- and light-dependent expression of the reporter gene, but required further optimization regarding its robustness, basal expression and maximum output. This was achieved by genome-integration of the optical regulator pair, by cloning the reporter cassette on a high-copy plasmid and by additional molecular modifications of the fusion proteins regarding their cellular localization. In combination, this results in a robust and efficient activation of cells over an incubation time of at least 48 h. Finally, to boost the potential of PhiReX for biotechnological applications, yeast was engineered to produce the chromophore. This overcomes the need to supply the expensive and photo-labile compound exogenously. The expression output mediated through PhiReX is comparable to the strong constitutive yeast TDH3 promoter and - in the experiments described here - clearly exceeds the commonly used galactose inducible GAL1 promoter. The fast-developing field of synthetic biology enables the construction of complete synthetic genomes. The upcoming Synthetic Yeast Sc2.0 Project is currently underway to redesign and synthesize the S. cerevisiae genome. As a prerequisite for the so-called “SCRaMbLE” system, all Sc2.0 chromosomes incorporate symmetrical target sites for Cre recombinase (loxPsym sites), enabling rearrangement of the yeast genome after induction of Cre with the toxic hormonal substance beta-estradiol. To overcome the safety concern linked to the use of beta-estradiol, a red light-inducible Cre recombinase, dubbed L-SCRaMbLE, was established in this study. L-SCRaMbLE was demonstrated to allow a time- and chromophore-dependent recombination with reliable off-states when applied to a plasmid containing four genes of the beta-carotene pathway, each flanked with loxPsym sites. When directly compared to the original induction system, L-SCRaMbLE generates a larger variety of recombination events and lower basal activity. In conclusion, L-SCRaMbLE provides a promising and powerful tool for genome rearrangement. The three tools developed in this study provide so far unmatched possibilities to tackle complex synthetic biology projects in yeast by addressing three different stages: fast and reliable biosynthetic pathway assembly; highly specific, orthogonal gene regulation; and tightly controlled synthetic evolution of loxPsym-containing DNA constructs. KW - synthetic biology KW - pathway engineering KW - DNA assembly KW - transcription factor KW - Cre recombinase KW - optogenetics KW - synthetische Biologie KW - Optimierung von Biosynthesewegen KW - DNS Assemblierung KW - Transkriptionsfaktor KW - Cre Rekombinase KW - Optogenetik Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404441 ER -