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Moritz Drechsler

• This work aims to find unknown natural products produced by bacteria, that live in close association with nematodes and to elucidate their structure by using mass spectrometry. The first chapter of this work is dedicated to the detection of hitherto unknown natural products by using a metabolomics approach and subsequent structure elucidation of said compounds. This chapter includes metabolomics analysis of Xenorhabdus szentirmaii wild type and knockout mutants, overproduction of the target compound, identification of derivatives from other strains and MS based structure elucidation. The second and third chapters are about natural products that protect C. elegans from B. thuringiensis infections. The second chapter deals with natural products that protect the nematode host without killing the pathogen. I deployed molecular biology methods to generate deletion and overproduction strains of a target compound, identified it via LC-MS/MS analysis and used LC-MS/MS and lipidomics to analyse the chemical properties of the active compound. The third chapter aims at finding natural products, which are produced by Pseudomonas strains MYb11 and MYb12, respectively. These natural products display the ability to protect C. elegans by killing B. thuringiensis. I identified said compounds via fractionation and subsequent bioactivity testing. After identification, I generated production strains of the target compounds and elucidated the structure of the bioactive derivative. The last chapter deals with the structure elucidation of peptides produced by an unusual GameXPeptide synthetase in Xenorhabdus miraniensis. I analysed producer strains of GameXPeptides using LC-MS and elucidated the structural differences between the known GameXPeptides, produced by P. luminescens TT01, and the unusual ones produced by X. miraniensis.
• Diese Arbeit behandelt die Identifizierung neuer Naturstoffe aus nematodenassoziierten Bakterien. Eine Vielzahl von Bakterien lebt in enger Assoziation mit eukaryotischen Wirtsorganismen. Diese Bakterien können sowohl in als auch auf dem Wirtsorganismus leben. Die Gesamtheit der Mikroorganismen eines Wirts bezeichnet man als Mikrobiom dieses Organismus. Die Interaktionen zwischen den Mikrobiota und dem Wirt können unterschiedlichster Natur sein, mutualistisch, kommensal, pathogen oder parasitär. Um die Interaktionen mit dem Wirt zu beeinflussen produzieren viele Bakterien Naturstoffe. Nematoden bieten ein enormes Potential für die Untersuchung von bakteriellen Naturstoffe, die diesen Interaktionen zugrunde liegen, da Nematoden ungefähr 80 % der Tiere auf der Erde ausmachen. Zwei wichtige Klassen von Naturstoffen sind Nicht-ribosomale Peptide und Polyketide. Beide werden durch sogenannte Megasynthasen produziert. Megasynthasen sind große, modulare Multienzymsysteme. Nicht-ribosomale Peptide werden von Nicht-ribosomalen Peptidsynthetasen (NRPS) hergestellt. Wie Ribosomen verknüpfen auch NRPS einzelne Aminosäuren zu Peptiden. Allerdings wird die Aminosäuresequenz von nich-ribosomalen Peptiden nicht durch Nukleinsäuren sondern durch die Spezifität der Adenylierungsdomänen (A-Domänen) der NRPS bestimmt. A-Domänen aktivieren ihrer Spezifität entsprechend Aminosäuren. Neben A-Domänen besteht ein typisches NRPS-Modul aus einer Thiolierungsdomäne (T-Domäne) und einer Kondensationsdomäne (C-Domäne). Nach der Aktivierung lädt die A-Domäne die entsprechende Aminosäure auf den Phosphopantetheinylarm der T-Domäne. Die C-Domäne katalysiert die Kondensationsreaktion von zwei Aminosäuren. In der Regel wird das fertige Peptid am Terminationsmodul durch eine Thioesterasedomäne (TE-Domäne) freigesetzt. NRPS können strukturell vielfältige Peptide produzieren. So werden z.B. neben proteinogenen Aminosäuren ebenfalls nicht-proteinogene und D-Aminosäuren eingebaut. Des Weiteren können die Peptide methyliert oder acetyliert werden. Polyketide werden durch PKS synthetisiert, welche ebenfalls modular aufgebaut sind. Ein minimales PKS-Modul besteht aus einer Acyltransferasedomäne (AT-Domäne), einer TDomäne und einer Ketosynthasedomäne (KS-Domäne). Die AT-Domäne überträgt IX Acyleinheiten auf die T-Domäne. Die KS-Domäne verknüpft die einzelnen Acyleinheiten miteinander. Während verschiedene PKS eine Vielzahl unterschiedlicher Starteracyleinheiten verwenden, werden als Verlängerungseinheiten typischerweise Malonyl-CoA oder Methylmalonyl-CoA verwendet. Auch PKS produzieren strukturell sehr diverse Naturstoffe. Die Diversität wird z.B. durch partielle oder vollständige Reduzierung der Ketogruppen, sowie Zyklisierung hervorgerufen. Häufig sind die Gene, welche für NRPS oder PKS codieren in sogenannten Biosynthesegenclustern (BGCs) organisiert. Die Struktur und Sequenz dieser BGCs erlauben erste Prognosen über die Struktur der produzierten Naturstoffe. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Naturstoffe aus Photorhabdus- und Xenorhabdus-Bakterien, sowie aus Pseudomonaden untersucht. Bakterien der Gattungen Photorhabdus und Xenorhabdus sind entomopathogene Bakterien, die in Symbiose mit Nematoden der Gattungen Heterorhabditis bzw. Steinernema leben. Diese Bakterien produzieren eine Vielzahl an bioaktiven Naturstoffen, die unter anderem das Immunsystem des Insekts supprimieren oder den Insektenkadaver vor Nahrungskonkurrenten schützen. Die hierin untersuchten Bakterienstämme der Gattung Pseudomonas sind natürliche Isolate aus Caenorhabditis elegans. Alle drei untersuchten Stämme sind in der Lage ihren Wirtsnematoden durch Produktion von Naturstoffen vor bakteriellen Infektionen zu schützen.