Biosynthesis, Synthesis, and Activities of Barnesin A, a NRPS-PKS

Jun 14, 2018 - Here, we analyzed a unique NRPS-PKS hybrid gene cluster from an ... Sequence repeat search via RePuter led to the identification of two...
3 downloads 0 Views 1MB Size
Subscriber access provided by UNIVERSITY OF TOLEDO LIBRARIES

Letter

Biosynthesis, Synthesis and Activities of Barnesin A, a NRPSPKS Hybrid Produced by an Anaerobic Epsilonproteobacterium Maja Rischer, Luka Raguz, Huijuan Guo, Francois Keiff, Gabriele Diekert, Tobias Goris, and Christine Beemelmanns ACS Chem. Biol., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acschembio.8b00445 • Publication Date (Web): 14 Jun 2018 Downloaded from http://pubs.acs.org on June 15, 2018

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Chemical Biology



Biosynthesis, Synthesis and Activities of Barnesin A, a NRPS-PKS Hybrid Produced by an Anaerobic Epsilonproteobacterium 



Maja Rischer,[a]  Luka Raguž,[a]  Huijuan Guo,[a]  Francois Keiff,[a] Gabriele Diekert,[b] Tobias Goris,[b]* and 



Christine Beemelmanns[a]* 



[a]  Leibniz  Institute  for  Natural  Product  Research  and  Infection  Biology  –  Hans  Knöll  Institute, 



Beutenbergstraβe 11a, D‐07745 Jena, Germany 



[b]  Department  of  Applied  and  Ecological  Microbiology,  Institute  of  Microbiology,  Friedrich  Schiller 



University, Philosophenweg 12, D‐07743 Jena, Germany 



* corresponding authors: tobias.goris@uni‐jena.de; Christine.Beemelmanns@hki‐jena.de  



10 

 

11 

Abstract 

12 

Despite  the  wealth  of  physiological  knowledge  and  plentiful  genomes  available,  only  few  natural 

13 

products  of  anaerobic  bacteria  have  been  identified  until  today  and  even  less  have  been  linked  to 

14 

their  biosynthetic  gene  cluster.  Here,  we  analyzed  a  unique  NRPS‐PKS  hybrid  gene  cluster  from  an 

15 

anaerobic  Epsilonproteobacterium  (Sulfurospirillum  barnesii).  Phylogenetic  analysis  of  key 

16 

biosynthetic  genes,  gene  expression  studies  and  comparative  metabolomics  resulted  in  the 

17 

identification of the first anoxically biosynthesized NRPS‐PKS hybrid metabolite, a lipo‐dipeptide with 

18 

a  vinylogous  side  chain,  named  barnesin  A.  The  absolute  structure  was  verified  by  a  modular  total 

19 

synthesis and barnesin and derivatives were found to have antimicrobial activity as well as selective 

20 

and  nanomolar  inhibitory  activity  against  pharmacological  important  cysteine  proteases,  such  as 

21 

cathepsin B. 

22 

Introduction 

23 

Traditionally,  the  search  for  pharmaceutical  important  secondary  metabolites  was  based  on 

24 

activity  screening  of  the  most  prolific  bacterial lineages,  actinomycetes  and  myxobacteria.1,2 

25 

However,  high  rediscovery  rates  are  the  major  drawback  of  studying  these  well‐known 

26 

natural  product  producers.  Recent  bioinformatic  studies  on  thousands  of  gene  sequences 

27 

allowed to map the global abundance of biosynthetic gene clusters (BGCs) within all bacterial 

28 

lineages.3‐5  Most  notably,  genomes  of  rarely  investigated  (facultative)  anaerobic  bacteria, 

29 

previously  believed  to  be  unable  to  produce  natural  products,6,7  were  found  to  carry  genes 

30 

encoding for polyketide synthases (PKS) and non‐ribosomal peptide synthetases (NRPS); both 

31 

key to the  production  of complex  and  bioactive  secondary  metabolites.8,9  Despite their high 

32 

abundance  and  industrial  and  medicinal  importance  of  anaerobes,10  almost  none  of  the  ACS Paragon Plus Environment

ACS Chemical Biology 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

33 

identified BGCs have yet been linked to the production of a specific metabolite.  In particular 

34 

complex  culture  conditions,  the  tight  regulation  of  gene  expression  and  the  genetic 

35 

inaccessibility  have  set  back  in  depth  metabolomic  analysis.6,7  The  few  examples  of  natural 

36 

products  from  anaerobes  include  closthioamides,  the  first  antibiotics  isolated  from  the 

37 

anaerobic bacterium Clostridium cellulolyticum,11  clostrubin produced by the plant pathogen 

38 

Clostridium  puniceum  (Fig. 1),12  a  new  antibiotic  lactocillin13  and  a  group  of  dipeptide 

39 

aldehydes  and  derivatives  (e.g.  phevalin)  produced  by  a  broad  range  of  common  gut 

40 

microbes.14 However, other anaerobic bacterial lineages, in particular free‐living species, have 

41 

so  far  been  overlooked  in  the  search  of  unique  bioactive  secondary  metabolites  and  thus 

42 

represent an unexplored area of chemical space that holds considerable promise for natural 

43 

product discovery and potential new bioactivities.  

44 

 

45  46  47 

Fig. 1. Absolute structure of the first anoxically biosynthesized NRPS‐PKS hybrid molecule barnesin A  (1);  and  structures  of  the  PKS‐derived  clostrubin  and  closthioamide  isolated  from  anaerobic  Clostridium spp.  

48 

 

49 

In  our  quest  to  explore  so  far  undiscovered  bacterial  physiological  capabilities  and  unique 

50 

biosynthetic  pathways  and  based  on  our  recent  work  on  the  genetic  basis  of  organohalide 

51 

respiration in  Epsilonproteobacteria,15‐17  we  performed  a  detailed  activity  and  genome‐wide 

52 

comparison of several members of this genus. Here, we report that Sulfurospirillum barnesii,18 

53 

a free‐living Epsilonproteobacterium found in anoxic sediments contaminated with arsenate 

54 

or  selenate,  harbors  a  unique  and  amongst  anaerobic  bacteria  very  rare  NRPS‐PKS  hybrid 

55 

biosynthetic  gene  cluster  (BGC  designated  as  brn),  whereas  all  other  Sulfurospirillum  spp. 

56 

lacked any signs of NRPS or PKS related gene clusters (Fig. S2).19 The phylogenetic analysis of 

57 

key  biosynthetic  enzymes  revealed  the  substrate  specificity  of  single  domains,  and  also 

58 

showed that they are evolutionary distant to from currently reported domains. Based on this 

59 

gene‐to‐molecule  approach,  we  proved  our  structure  proposal  using  an  ‘omics’‐guided 

60 

isolation  approach  and  total  synthesis  resulting  in  the  identification  of  the  first  anoxically 

61 

biosynthesized NRPS‐PKS derived natural product, named barnesin A.   

62 

 

ACS Paragon Plus Environment

Page 2 of 14

Page 3 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Chemical Biology

63 

Results and Discussion 

64 

First, we performed a comparative gene cluster analysis. The brn gene cluster (approximately 

65 

20  kbp  in  size)  encodes  nine  proteins,  annotated  by  us  as  BrnA–BrnI  (Fig.  2A,  Table  S1), 

66 

including a NRPS (BrnE, SMUL_748), a PKS (BrnF, SMUL_749), a PPTase (BrnI, SMUL_750), and 

67 

a  cyclic  peptide  transporter  (Sulba_0745‐747,  BrnBCD).  Sequence  repeat  search  via  RePuter 

68 

led  to  the  identification  of  two  conserved  direct  repeats  (24  and  12  bp)  flanking  the  brn 

69 

cluster,20  which  are  indicative  for  a  possible  horizontal  gene  transfer.  A  blastp  query  of  the 

70 

complete  cluster  resulted  in  the  identification  of  a  highly  similar  non‐characterized  gene 

71 

cluster  within  the  genome  of  Geovibrio  sp.  L21‐Ace‐BES  (RefSeq,  Acc.  No. 

72 

NZ_ATWF00000000.1) which belongs to the order Deferribacterales and was assembled from 

73 

a  metagenome  obtained  from  a  hypersaline  mat.21  No  repeats  were  found  up‐  and 

74 

downstream  of  the  gvb  hybrid  gene  cluster  and  no  other  evidence  for  horizontal  gene 

75 

transfer could be detected within the Geovibrio genome. We then analyzed the specificity of 

76 

biosynthetic domains of both clusters (brn and gvb) to predict the possible core structure of 

77 

the encoded metabolites.22‐24  The first C‐domain (BrnE C1) was assigned as starter C‐domain 

78 

and  suspected  to  catalyze  a  fatty  acid  transfer  to  form  lipopetides.25  The  second  C‐domain 

79 

(BrnE  C2)  was  found  to  promote  the  condensation  of  two  L‐amino  acids  (Table  S2,  S3). 

80 

Subsequently,  we  analyzed  both  A‐domains;  the  first  A  domain  (BrnE,  A1)  was  predicted  to 

81 

accept  aromatic  amino  acids  (Fig.  2A,  darker  shaded  color  code)  and  belongs  to  an  own, 

82 

previously  not  identified,  subgroup  within  this  particular  group  of  A‐domains.  The  second 

83 

A‐domain (BrnE, A2) analysis was ambiguous, but protein modeling using Swiss Model clearly 

84 

indicated  a  binding  pocket  fitting  and  stabilizing  arginine  or  lysine  residues  (Fig.  S3).26  The 

85 

trans‐AT  PKS  (BrnF)  includes  a  ketosynthase  (KS),  ketoreductase  (KR),  dehydratase  (DH)  and 

86 

thioesterase (Fig. 2B, darker shaded color code BnrF KS1, Table S4).27 We also identified all AT 

87 

domains encoded within the genome of S. barnesii and Geovibrio sp. L21‐Ace‐BES and found 

88 

candidate  genes  (Sulba_0581  and  WP_022851336.1)  having  the  highest  similarity  to  other 

89 

discrete AT  domains that form a loose but distinctive clade distant from cognate ATs (Table 

90 

S4,  S5).28  Overall,  the  phylogenetic  BGC  analysis  revealed  that  brn  and  gvb  encode  enzymes 

91 

responsible  for  the  production  of  a  modified  lipo‐dipeptide  containing  at  least  one  tyrosine 

92 

moiety and one basic amino acid.  

ACS Paragon Plus Environment

ACS Chemical Biology 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

93 

Page 4 of 14

 

94  95  96  97  98  99  100  101  102 

Fig. 2. A) Comparative gene maps of brn (S. barnesii sp. SES‐3) and gvb (Geovibrio sp. L21‐Ace‐BES);  each  arrow  represents  a  gene  (ORF).  Marked  with  an  asterisk  is  the  gene  of  BrnH  (putative  membrane  protein  not  annotated  as  an  ORF).  Amino  acid  identities  of  the  orthologues  are  given  above  the  gvb  genes.  B)  Phylogenetic  analysis  of  adenylation  domains  with  predicted  substrate  specificity. C) Phylogenetic analysis of trans‐AT associated ketosynthase domains. Predictions of the  NRPS Prediction Blast Server were used for labeling predicted amino acids of the phylogenetic tree.  Peptide sequences of adenylation domains were aligned using ClustalW The best distance matrix was  calculated and the tree was constructed using Mega 6. Probability values >50 are shown at the nodes  based on 1000 bootstraps. Darker shaded fields represent the S. barnesii and Geovibrio sp. subgroup. 

103 

 

104 

To  address  whether  the  NRPS‐PKS  hybrid  cluster  is  transcribed  under  laboratory  growth 

105 

conditions, we performed time‐dependent gene expression studies and found a robust level 

106 

of transcription (gene brnE) in the used cultivation conditions (Fig. 3 and S4). This prompted 

107 

us to conduct a comparative NMR‐ and UHPLC‐MS‐based metabolomic analysis of S. barnesii 

108 

and  two  closely  related  species  (S.  deleyianum  and  S.  multivorans)  lacking  the  NRPS‐PKS 

109 

cluster. Metabolites of each culture supernatant were enriched using C‐18 based solid‐phase 

110 

extraction and subsequent HPLC/LC‐HRMS analysis revealed one distinct UV‐absorption peak 

111 

(λmax  214  nm),  which  correlated  to  a  unique  protonated  molecular  ion  peak  at  488.2864 

112 

[M+H]+  not  reported  by  AntiBase29  and  SciFinder.  For  full  structural  analysis,  we  pursued 

113 

preparative  scale  fermentation  (70 L)  and  MS‐  and  NMR‐guided  purification  of  culture 

114 

extracts  led  to  the  isolation  of  1.0 mg  pure  compound,  named  barnesin  A  (1)  (Fig.  1).  The 

ACS Paragon Plus Environment

Page 5 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Chemical Biology

115 

molecullar  formula  was  assign ned  as  C25H 37O5N5  bassed  on  ESI‐HRMS  anal ysis  (m/z  488.2864  4

116 

[M+H]+,,  calculated d  488.2867,  Δ  =  ‒0.69 9  ppm).  Detailed  analy ysis  of  the  obtained  2D  2 NMR 

117 

spectra  (DMSO‐d6)  and HR‐MS S/MS fragm mentation id dentified the e predicted  metabolite e to be a 

118 

eptide  conssisting  of  aa  tyrosine,  a  vinylogous  argininee  and  an  attached  a modified  lipo‐dipe

119 

ey  analysis  verified  tyyrosine  to  be  b L‐configuured,  which h  was  in  unsaturrated  fatty  acid.  Marfe

120 

agreement with previous phylogenetic an nalysis.  

121 

 

122  123  124  125  126  127 

Fig.  3  A A)  brnE  Gen ne  expression  at  differeent  cultivation  time  points  using  cconventional  reverse  transcrip ptase PCR (R RT‐control (w without reve rse transcrip ptase enzyme), gDNA (D NA of S. barrnesii), C‐  (control  without  DN NA  or  RNA  template).  t B B)  HPLC‐base ed  analysis  of  o culture  exxtracts  of  S.  barnesii  obtained d from differrent cultivatiion time poi nts (represe entative UV ttrace at 214  nm). C) Com mparative  HPLC‐baased analysiss of culture  extracts from e m three diffe erent Sulfuro ospirillum  sttrains (representative  UV tracee at 214 nm). 

128  129  130  131 

Fig.  4.  P Putative  biossynthetic  asssembly  of  baarnesin  A  (1 1)  formation;  abbreviatioon  (ACP:  acyl  carrier  protein;  PCP:  peptiidyl  carrier  protein;  C:  condensation;  A:  aden nylation;  KSS:  ketosynthase;  DH:  dehydratase; KR: kettoreductase;; TE: thioesteerase). 

132 

 

ACS Paragon Plus Environment

ACS Chemical Biology 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

133  134  135  136  137  138  139  140  141 

Scheme  1.  Total  synthesis  of  barnesin  A  and  derivatives:  a)  HBTU,  DIPEA,  DCM,  r.t.,  o.n.,  78%;  b)  10%aq  KOH,  MeOH,  r.t.,  3  h,  quant.;  c)  1.  CuCO3∙Cu(OH)2,  H2O,  r.t.,  15  min;  2.  bis‐Boc‐ pyrazolocarboxamidine, DIPEA, formamide, dioxane, r.t., o.n., 3. EDTA∙2Na∙2H2O, NaHCO3, H2O then  Fmoc‐OSu, acetone, r.t., o.n. 70% (three steps); d) N,O‐dimethylhydroxylamine hydrochloride, HBTU,  DIPEA, DCM, r.t., o.n., 71%; e) 1. LiAlH4, THF, 0 °C, 30 min, 2. triethyl phosphonoacetate, NaH, THF, 0  °C, 45 min, 32% (two steps); f) 20% piperidine in DMF, r.t., 4 h, 86%; g) COMU, DIPEA, DMF, 0 °C, 6 h,  27%; h) TFA, DCM, 0 °C to r.t., o.n.; i) porcine liver esterase, DMSO, H2O, Tris/HCl buffer, 37 °C, 5 d,  47% (two steps). 

142 

 

143 

The absolute structure of 1 matched the proposed biosynthetic assembly line as depicted in 

144 

Fig. 4. In short, octenoic acid, presumably originating from fatty acid biosynthesis, is coupled 

145 

via  a  specific  condensation  starter  domain  (C1)  to  L‐tyrosine.  The  resulting  lipo‐peptide  is 

146 

then coupled to arginine (A1) via the second condensation domain (C2). A switch to the trans‐

147 

AT PKS module allows the elongation via decarboxylative addition of an ACP‐bound malonyl 

148 

extender  unit  and  the  combined  action  of  the  KR  and  DH  domains  yields  the  vinylogous 

149 

arginine  moiety.  Due  to  the  high  homologies  between  both  gene  clusters,  brn  and  gvb,  we 

150 

currently  hypothesize  that  a  highly  similar  compound  is  produced  by  the  designated 

151 

Geovibrio sp. L21‐Ace‐BES. Here, it is interesting to note that the biosynthetic enzymes (Brn) 

152 

appear highly substrate specific as LC‐MS/MS analysis revealed barnesin A (1) to be the only 

153 

derivative present within the culture extracts.   

154 

Barnesin A belongs to the few natural products containing a vinylogous amino acids,30 and the 

155 

only other natural product known to contain a vinylogous arginine moiety is the pentapeptide 

156 

miraziridine A (Scheme  1), isolated from the marine sponge Theonella aff. Mirabilis.31 Other 

157 

structurally related natural products containing vinylogous amino acid are cyclotheonamides 

158 

derived  from  the  marine  sponge  Theonella  swinhoei,32  syringolin  A  isolated  from  the 

159 

bacterium  Pseudomonas  syringae,33‐35  and  the  related  glidobactin A,  produced  by  the  ACS Paragon Plus Environment

Page 6 of 14

Page 7 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Chemical Biology

160 

bacterium  Polyangium  brachysporum  sp.36,37  Here  it  is  interesting  to  note  that  syringolin  A 

161 

was identified as a virulence factor, inhibiting the 20S proteasome via a 1,4‐Michael addition 

162 

reaction  of  the  proteasome  to  the  electrophilic  unsaturated  amide  moiety  within  the 

163 

macrolactam scaffold.35 

164 

To gain access to larger quantities of compound 1, to proof our structural hypothesis and to 

165 

perform  bioactivity  studies,  we  performed  a  short  and  modular  synthesis  (Scheme  1).  First, 

166 

coupling of trans‐2‐octenoic acid 2 with L‐tyrosine methyl ester hydrochloride 3, followed by 

167 

saponification  yielded  acid  4  in  78%  over  two  steps.  Next,  the  vinylogous  arginine  was 

168 

synthesized  using two  different strategies.38,39  Then three‐fold  Boc‐protected  arginine  6  was 

169 

converted to the respective aldehyde, and the latter was subjected to a Horner‐Wadsworth‐

170 

Emmons transformation. As we faced several synthetic unreliabilities with both, synthetic and 

171 

commercial  protected  arginine  6,40  we  decided  to  use  Fmoc‐protected  derivative  7,  which 

172 

allowed us to selectively deprotect the ‒position and pursue the coupling reaction with 4 to 

173 

give  protected  precursor  9.  Final  Boc‐deprotection  using  TFA  and  biocatalytic  saponification 

174 

with porcine liver esterase resulted in the desired compound 1. The obtained spectral data of 

175 

the  synthetic  derivative  1  was  in  full  agreement  with  analytical  data  obtained  from  the 

176 

natural isolate  proving  our  structural assumption (Table  S7).  Moreover,  change  of fatty  acid 

177 

precursor  and  reduction  of  the  vinylogous  double  bond  let  to  barnesin  derivative  11‐13, 

178 

respectively.  

179 

We  then  evaluated  the  biological  activities  of  barnesin  A  (1)  and  derivatives  10‐13,  and 

180 

identified  barnesin  derivative  10,  11  and  13  to  have  moderate  to  good  inhibitory  activity 

181 

against  Mycobacterium  vaccae  (10670),  human‐pathogenic  Staphyloccocus  aureus  (SG511) 

182 

and  Pseudomonas  aeruginosa  (K799/61  B9)  (Table  S11).  We  also  confirmed  that  all  tested 

183 

compounds  showed  no  significant  antiproliferative  or  cytotoxic  effects  (Table  S12).  As  small 

184 

peptides and vinylogous systems have a history in being highly potent protease inhibitors,41‐43 

185 

we analyzed the activity of all barnesin derivatives (1, 10‐13) and found derivatives (1, 10 and 

186 

11)  to  inhibit  cysteine  proteases,  including  Cathepsin  B,44  in  the  nanomolar  range,  whereas 

187 

derivatives 12 and 13 were inactive (Table 1). These results suggest that barnesin derivatives 

188 

(1, 10‐13) act as a Michael acceptor responsible for irreversible covalent binding to active site 

189 

of cysteine protease.  

190 

 

 

ACS Paragon Plus Environment

ACS Chemical Biology 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Table 1. Representative protease inhibition assays of barnesin A (1) and its derivatives in comparison to reported inhibitors. Compound

Papaina

Ficina

Cathepsin Bb

Trypsinc

Barnesin A (1)

15.96 µM (± 5.8)

3.43 µM (± 0.15)

91.72 nM (± 3.29)

>2000 µM

Derivative (10)

2.89 µM (± 0.13)

3.43 µM (± 0.38)

23.99 nM (± 5.3)

>2000 µM

Derivative (11)

4.78 µM (± 2.9)

1.16 µM (± 0.07)

87.56 nM (± 1.8)

>2000 µM

Derivative (12)

>2000 µM

> 2000 µM

> 2000 µM

n.t.

Derivative (13)

>2000 µM

> 2000 µM

> 2000 µM

n.t.

Leupeptin

0.86 µM

n.r.

21.5 nM

2.2 µM

Miraziridin A38,39

n.r.

n.r.

2.05 µM

60 µM

44

Control reactions: inhibition: a) iodacetamide (2 mM): 98.8% inhibition of papain; 97.4% inhibition of ficin; b) leupeptin (1.5 mM): 99.9% inhibition of cathepsin B; c) PMF (2 mM): 100% inhibition of trypsin; n.r. = not reported in literature; n.t. = not tested.

191 

 

192 

Conclusions 

193 

Taken  together,  our  experimental  findings  presented  here  reveal  the  first  NRPS‐PKS  based 

194 

hybrid  natural  product  from  an  anoxically  cultivated  free‐living  bacterium  (S.  barnesii, 

195 

Epsilonproteobacterium).  Phylogenetic  analysis  of  key  genes  of  both  biosynthetic  clusters 

196 

allowed  for  a  NMR‐  and  LC‐MS‐guided  isolation  approach  of  the  first  PKS‐NRPS  hybrid 

197 

metabolite  (barnesin  A  (1))  produced  from  this  bacterial  lineage,  and  from  anoxically 

198 

cultivated  bacteria  in  general.  The  absolute  structure  was  proven  by  a  modular  total 

199 

synthesis,  which  allowed  accesses  to  non‐natural  derivatives.  A  first  pharmacological 

200 

evaluation  of  this  compound  class  revealed  nanomolar  inhibitory  activity  against  cysteine 

201 

proteases  presumably  via  a  1,4‐Michael  type  addition  mechanism.  The  ecological  role  and 

202 

function of barnesin, however, remains to be elucidated. As the gene cluster analysis suggest 

203 

a horizontal transfer between different phyla, similar compounds likely play a biological role 

204 

in  more  than  one  free‐living  species.  Furthermore,  the  constitutive  expression  of  the  brn 

205 

cluster  and  the  production  of  such  a  reactive  secondary  metabolite  impart  a  selective 

206 

advantage to the producing organism by acting, e.g., as a defensive metabolite against other 

207 

bacteria or protistan bacterivory.45 

208 

In  general,  our  findings  demonstrate  that  comparative  genome  analysis  of  so  far  neglected 

209 

natural product producers followed by a detailed phylogenetic biosynthetic pathways analysis 

210 

allows  for  a  targeted  and  highly  efficient  isolation  approach.  Given  the  large  number  of 

211 

biosynthetic gene clusters of unknown function within many (facultative) anaerobes, such an 

ACS Paragon Plus Environment

Page 8 of 14

Page 9 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Chemical Biology

212 

approach holds great potential for discovering new chemical scaffolds and the identification 

213 

of small‐molecule based microbial mediators in the anaerobic world.  

214 

Conflicts of interest 

215 

The  authors  declare  a  financial  conflict  of  interest.  A  patent  application  has  been  filed 

216 

(registration  number:  EP  18  160  274.9:  Barnesin  A,  derivatives  and  uses  thereof)  and  is 

217 

currently under revision at the European patent office. 

218 

Acknowledgements 

219 

M. Rischer, L. Raguž and C. Beemelmanns are supported by the Leibniz Association, the Jena 

220 

School  for  Microbial  Communication  and  the  German  Research  Council  (DFG,  grant 

221 

BE4799/2‐1  EXSPHINGO  and  CRC  ChemBioSys  1127),  T.  Goris  by  the  DFG  as  part  of  the 

222 

research  group  FOR1530.  The  authors  thank  B.  Schenz,  P.  Brand‐Schön,  S.  Kruse  (FSU  Jena) 

223 

and  M.  Küfner  (HKI)  for  assisting  in  the  cultivation  of  Sulfurospirillum  barnesii.  We  thank  A. 

224 

Perner,  H.  Heinecke,  H.‐M.  Dahse  and  C.  Weigel  (HKI)  for  their  help  with  MS  and  NMR 

225 

measurements  and  activity  assays,  and  H.  Kries  (HKI)  for  help  in  the  modeling  of  the 

226 

adenylation binding pocket.  

227 

Notes and References 

228 

†  Electronic  Supplementary  Informa on  (ESI)  available:  Fermenta on  procedures;  isola on 

229 

procedures, ESI‐HRMS, 1H NMR, 13C NMR, and 2D NMR spectra as well as chemical modifications.  

230 

 

231  232  233  234  235  236 

1. Blunt,  J.  W.,  Copp,  B.  R.,  Munro,  M.  H.  G.,  Northcote,  P.  T.,  and  Prinsep,  M.  R.  (2010)  Marine natural products, Nat. Prod. Rep. 27, 165‐237.  2. Weissman,  K.  J.,  and  Müller,  R.  (2010)  Myxobacterial  secondary  metabolites:  bioactivities and modes‐of‐action, Nat. Prod. Rep. 27, 1276‐1295.   3. Ziemert,  N.,  Alanjary,  M.,  and  Weber,  T.  (2016)  The  evolution  of  genome  mining  in  microbes ‐ a review, Nat. Prod. Rep. 33, 988‐1005. 

237 

4. Wang,  H.,  Fewer,  D.  P.,  Holm,  L.,  Rouhiainen,  L.,  and  Sivonen,  K.  (2014)  Atlas  of 

238 

nonribosomal  peptide  and  polyketide  biosynthetic  pathways  reveals  common 

239 

occurrence of nonmodular enzymes, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111, 9259‐9264.  

240  241  242  243 

5. Genilloud, O. (2017) Actinomycetes: still a source of novel antibiotics, Nat. Prod. Rep. 34,  1203‐1232.  6. Behnken,  S.,  and  Hertweck,  C.  (2012)  Anaerobic  bacteria  as  producers  of  antibiotics,  Appl. Microbiol. Bio. 96, 61‐67. 

ACS Paragon Plus Environment

ACS Chemical Biology 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

244  245  246  247 

7. Letzel,  A.‐C.,  Pidot,  S.  J.,  and  Hertweck,  C.  (2013)  A  genomic  approach  to  the  cryptic  secondary metabolome of the anaerobic world, Nat. Prod. Rep. 30, 392‐428.  8. Robbins,  T.,  Liu,  Y.‐C.,  Cane,  D.  E.,  and  Khosla,  C.  (2016)  Structure  and  mechanism  of  assembly line polyketide synthases, Curr. Opin. Struc. Biol. 41, 10‐18.  

248 

9. Payne, J. A. E., Schoppet, M., Hansen, M. H., and Cryle, M. J. (2017) Diversity of nature's 

249 

assembly lines ‐ recent discoveries in non‐ribosomal peptide synthesis, Mol. Biosyst. 13, 

250 

9‐22. 

251  252 

10. Donaldson,  G.  P.,  Lee,  S.  M.,  and  Mazmanian,  S.  K.  (2015)  Gut  biogeography  of  the  bacterial microbiota, Nat. Rev. Microbiol. 14, 20‐32. 

253 

11. Lincke,  T.,  Behnken,  S.,  Ishida,  K.,  Roth,  M.,  and  Hertweck  C.  (2010)  Closthioamide:  an 

254 

unprecedented  polythioamide  antibiotic  from  the  strictly  anaerobic  bacterium 

255 

Clostridium cellulolyticum, Angew. Chem. Int. Ed. 49, 2011‐2013. 

256 

12. Shabuer, G., Ishida, K., Pidot, S. J., Roth, M., Dahse, H.‐M., and Hertweck, C. (2015) Plant 

257 

pathogenic  anaerobic  bacteria  use  aromatic  polyketides  to  access  aerobic  territory. 

258 

Science 350, 670‐674.  

259 

13. Donia,  M.  S.,  Cimermancic,  P.,  Schulze,  C.  J.,  Wieland  Brown,  L.  C.,  Martin,  J.,  Mitreva, 

260 

M.,  Clardy,  J.,  Linington,  R.  G.,  and  Fischbach,  M.  A.  (2014)  A  systematic  analysis  of 

261 

biosynthetic  gene  clusters  in  the  human  microbiome  reveals  a  common  family  of 

262 

antibiotics, Cell 158, 1402‐1414.  

263 

14. Guo,  C.  J.,    Chang,  F.  Y.,    Wyche,  T.  P.,  Backus,  K.  M.,  Acker,  T.  M.;    Funabashi,  M., 

264 

Taketani, M., Donia, M. S., Nayfach, S., Pollard, K. S., Craik, C. S., Cravatt, B. F., Clardy, J., 

265 

Voigt,  C.  A.,  and  Fischbach,  M.  A.  (2017)  Discovery  of  Reactive  Microbiota‐Derived 

266 

Metabolites that Inhibit Host Proteases, Cell 168, 517‐526 e18. 

267 

15. Goris,  T.,  Schubert,  T.,  Gadkari,  J.,  Wubet,  T.,  Tarkka,  M.,  Buscot,  F.,  Adrian,  L.,  and 

268 

Diekert, G. (2014) Insights into organohalide respiration and the versatile catabolism of 

269 

Sulfurospirillum  multivorans  gained  from  comparative  genomics  and  physiological 

270 

studies, Environ. Microbiol. 16, 3562‐3580. 

271 

16. Goris,  T.,  and  Diekert,  G.  (2016)  The  Genus  Sulfurospirillum  in  Organohalide‐Respiring 

272 

Bacteria, Eds. L. Adrian, F. E. Löffler, Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg,  209‐

273 

234.  

274 

17. Goris,  T.,  Schenz,  B.,  Zimmermann,  J.,  Lemos,  M.,  Hackermüller,  J.,  Schubert,  T.,  and 

275 

Diekert,  G.  (2017)  The  complete  genome  of  the  tetrachloroethene‐respiring 

276 

Epsilonproteobacterium Sulfurospirillum halorespirans, J. Biotechnol. 255, 33‐36. 

277 

18. Stolz, J. F., Ellis, D. J., Blum, J. S., Ahmann, D., Lovley, D. R., and Oremland, R. S. (1999) 

278 

Note: Sulfurospirillum barnesii sp. nov. and Sulfurospirillum arsenophilum sp. nov., new 

ACS Paragon Plus Environment

Page 10 of 14

Page 11 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Chemical Biology

279 

members of the Sulfurospirillum clade of the ε‐Proteobacteria, Int. J. Syst. Evol. Micr. 49, 

280 

1177‐1180.   

281 

19. Blin, K., Wolf, T., Chevrette, M. G., Lu, X., Schwalen, C. J., Kautsar, S. A., Suarez Duran, H. 

282 

G., de los Santos, E. L. C., Kim, H. U., Nave, M., Dickschat, J. S., Mitchell, D. A., Shelest, E., 

283 

Breitling, R., Takano, E., Lee, S. Y., Weber, T., and Medema, M.H. (2017) antiSMASH 4.0‐

284 

improvements in chemistry prediction and gene cluster boundary identification, Nucleic 

285 

Acids Res. 45, W36‐W41. 

286 

20. Kurtz, S., Choudhuri, J. V., Ohlebusch, E., Schleiermacher, C., Stoye, J., and Giegerich, R. 

287 

(2001) REPuter: the manifold applications of repeat analysis on a genomic scale, Nucleic 

288 

Acids Res. 29, 4633‐4642. 

289 

21. Spring, S., Brinkmann, N., Murrja, M., Spröer, C., Reitner, J., and Klenk, H.‐P. (2015) High 

290 

Diversity  of  Culturable  Prokaryotes  in  a  Lithifying  Hypersaline  Microbial  Mat, 

291 

Geomicrobiol. J. 32, 332‐346. 

292 

22. Challis,  G.  L.,  Ravel,  J.,  and Townsend,  C.A. (2000)  Predictive,  structure‐based  model  of 

293 

amino acid recognition by nonribosomal peptide synthetase adenylation domains, Chem. 

294 

Biol. 7, 211‐224. 

295  296 

23. Ziemert, N., and Jensen, P. R. (2012) Chapter Eight ‐ Phylogenetic Approaches to Natural  Product Structure Prediction, Methods Enzymol. 517, 161‐182. 

297 

24. Röttig,  M.,  Medema,  M.  H.,  Blin,  K.,  Weber,  T.,  Rausch,  C.,  and  Kohlbacher,  O.  (2011) 

298 

NRPSpredictor2  —  a  web  server  for  predicting  NRPS  adenylation  domain  specificity, 

299 

Nucleic Acids Res. 39, W362‐W367; http://nrps.informatik.uni‐tuebingen.de. 

300 

25. Rausch,  C.,  Hoof,  I.,  Weber,  T.,  Wohlleben,  W.,  and  Huson,  D.H.  (2007)  Phylogenetic 

301 

analysis of condensation domains in NRPS sheds light on their functional evolution, BMC 

302 

Evol. Biol. 7, 78. 

303 

26. Biasini,  M.,  Bienert  S.,  Waterhouse,  A.,  Arnold,  K.,  Studer,  G.,  Schmidt,  T.,  Kiefer,  F., 

304 

Cassarino,  T.  G.,  Bertoni,  M.,  Bordoli,  L.,  and  Schwede,  T.  (2014)  SWISS‐MODEL: 

305 

modelling  protein  tertiary  and  quaternary  structure  using  evolutionary  information, 

306 

Nucleic Acids Res. 42, W252‐W258. 

307  308 

27. Helfrich,  E.  J.  N.,  and  Piel,  J.  (2016)  Biosynthesis  of  polyketides  by  trans‐AT  polyketide  synthases, Nat. Prod. Rep. 33, 231‐316. 

309 

28. Musiol, E. M., Hartner, T., Kulik, A., Moldenhauer, J., Piel, J., Wohlleben, W., and Weber, 

310 

T.  (2011)  Supramolecular  templating  in  kirromycin  biosynthesis:  the  acyltransferase 

311 

KirCII  loads  ethylmalonyl‐CoA  extender  onto  a  specific  ACP  of  the  trans‐AT  PKS,  Chem. 

312 

Biol. 18, 438‐444. 

313 

29. Laatsch, H. AntiBase 2014: The Natural Compound Identifier. ISBN 978‐3‐527‐33841‐2 

ACS Paragon Plus Environment

ACS Chemical Biology 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

314 

30. Walsh, C. T., O'Brien, R. V., and Khosla, C. (2013) Nonproteinogenic Amino Acid Building 

315 

Blocks for Nonribosomal Peptide and Hybrid Polyketide Scaffolds, Angew. Chem. Int. Ed. 

316 

52, 7098‐7124. 

317 

31. Nakao, Y., Fujita, M., Warabi, K., Matsunaga, S., and Fusetani, N. (2000) Miraziridine A, a 

318 

Novel Cysteine Protease Inhibitor from the Marine SpongeTheonella aff. mirabilis, J. Am. 

319 

Chem. Soc. 122, 10462‐10463.  

320 

32. Fusetani, N., Matsunaga, S., Matsumoto, H., and Takebayashi, Y. (1990) Bioactive marine 

321 

metabolites.  33.  Cyclotheonamides,  potent  thrombin  inhibitors,  from  a  marine  sponge 

322 

Theonella sp., J. Am. Chem. Soc. 112, 7053‐7054. 

323 

33. Wäspi,  U.,  Blanc,  D.,  Winkler,  T.,  Rüedi,  P.,  and  Dudler,  R.  (1998)  Syringolin,  a  novel 

324 

peptide  elicitor  from  Pseudomonas  syringae  pv.  syringae  that  induces  resistance  to 

325 

Pyricularia oryzae in rice, Mol. Plant. Microbe. In. 11, 727‐733. 

326 

34. Amrein,  H.,  Makart,  S.,  Granado,  J.,  Shakya,  R.,  Schneider‐Pokorny,  J.,  and  Dudler,  R. 

327 

(2004)  Functional  Analysis  of  Genes  Involved  in  the  Synthesis  of  Syringolin  A  by 

328 

Pseudomonas syringae pv. syringae B301D‐R, Mol. Plant. Microbe. In. 17, 90‐97. 

329 

35. Clerc, J., Groll, M., Illich, D. J., Bachmann, A. S., Huber, R., Schellenberg, B., Dudler, R. and 

330 

Kaiser,  M.  (2009)  Synthetic  and  structural  studies  on  syringolin  A  and  B  reveal  critical 

331 

determinants of selectivity and potency of proteasome inhibition, Proc. Natl. Acad. Sci. 

332 

106, 6507‐6512. 

333 

36. Oka,  M.,  Nishiyama,  Y.,  Ohta,  S.,  Kamei,  H.,  Konishi,  M.,  Miyaki,  T.,  Oki,  T.,  and 

334 

Kawaguchi, H. (1988) Glidobactins A, B and C, new antitumor antibiotics. I. Production, 

335 

isolation, chemical properties and biological activity, J. Antibiot. 41, 1331‐1337. 

336 

37. Schellenberg,  B.,  Bigler,  L.,  and  Dudler  R.  (2007)  Identification  of  genes  involved  in  the 

337 

biosynthesis  of  the  cytotoxic  compound  glidobactin  from  a  soil  bacterium,  Environ. 

338 

Microbiol. 9, 1640‐1650. 

339 

38. Konno, H., Kubo, K., Makabe, H., Toshiro, E., Hinoda, N., Nosaka, K., and Akaji, K. (2007) 

340 

Total synthesis of miraziridine A and identification of its major reaction site for cathepsin 

341 

B, Tetrahedron 63, 9502‐9513. 

342  343 

39. Schaschke, N. (2004)  Miraziridine A: natures blueprint towards protease class‐spanning  inhibitors, Bioorg. Med. Chem. Lett. 14, 855‐857. 

344 

40. Using commercial as well as synthesized 6 as reactant resulted in significant lower yields 

345 

as described in the literature regardless of the tested reaction conditions. Furthermore, 

346 

the analysis of commercial 6 indicated the presence of inadequate Boc‐protection.  

347  348 

41. Powers,  J.  C.,  Asgian, J. L., Ekici,  Ö.  D.,  and James, K.  E. (2002) Irreversible  Inhibitors  of  Serine, Cysteine, and Threonine Proteases, Chem. Rev. 102, 4639‐4750.  

ACS Paragon Plus Environment

Page 12 of 14

Page 13 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Chemical Biology

349 

42. Konno  H.  (2012)  Synthesis  of  Bioactive  Natural  Products  as  Protein  Inhibitors,  Biosci. 

350 

Biotech. Bioch. 76, 1257‐1261.  

351 

43. Siklos, M., BenAissa, M., and Thatcher, G. R. J. (2015) Cysteine proteases as therapeutic 

352 

targets: does selectivity matter? A systematic review of calpain and cathepsin inhibitors, 

353 

Acta Pharm. Sin. B 5, 506‐519.  

354 

44. Gobec,  S.,  and  Frlan,  R.  (2006)  Inhibitors  of  Cathepsin  B,  Curr.  Med.  Chem.  13,  2309‐

355 

2327. 

356 

45.

Gong, J., Qing, Y., Zou, S., Fu, R., Su, L., Zhang, X., and Zhang Q. (2016) Protist‐Bacteria 

357 

Associations:  Gammaproteobacteria  and  Alphaproteobacteria  Are  Prevalent  as 

358 

Digestion‐Resistant Bacteria in Ciliated Protozoa, Front. Microbiol. 7, 498.  

359 

 

ACS Paragon Plus Environment

ACS Chemical Biology 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

TOC: graphical abstract 136x68mm (300 x 300 DPI)

ACS Paragon Plus Environment

Page 14 of 14