Expanding the chemical space of microbial specialized metabolites: structure elucidation and biosynthesis of novel bioactive natural products from actinomycetes

Abstract

The relentless emergence of bacterial resistance to current antibiotics poses a significant health treat, making the development of new effective treatments of vital importance. In this context, the unique structural diversity and biologically optimized functions shaped by the evolution of natural products offer a wide range of drug leads with antimicrobial potential. Historically, these privileged chemical structures have played a valuable role in inspiring drug discovery. Many of the world's most important drugs, including antitumoral, immunosuppressive, and particularly antibiotics were originally discovered from natural sources. Despite the unlimited chemical and biological diversity displayed by secondary metabolites, only a small fraction of the vast reservoir has been surveyed, in which novel compounds are being continuously discovered. With the aim of expanding the chemical space around different groups of bioactive natural products, the present doctoral thesis describes a series of research studies to discover new secondary metabolites from the Fundación MEDINA microorganisms’ collection. To this end, the following approaches have been employed: i) high-throughput screening (HTS), ii) chemical dereplication, iii) isolation of microbial natural products, iv) structural elucidation through NMR spectroscopy and high-resolution mass spectrometry (HRMS), and v) genome mining to identify talented producers that can biosynthesize new promising bioactive compounds with remarkable structural features. Specifically, this thesis report the discovery of: i) four new meroterpenoids from the napyradiomycin family obtained from a marine-derived Streptomyces, including napyradiomycin D1, the first member of a new structural subtype characterized by a 14-membered ring, which exhibited significant bioactivity against methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA), Mycobacterium tuberculosis, and the human tumour cell line HepG2; ii) three new cyclic pentapeptides analogous to pentaminomycins (family of natural products including members with selective antibacterial activity against A. baumannii) isolated from a terrestrial Streptomyces, two of which were revealed as the first reported examples of non-ribosomal peptides containing a 2-pyridyl-alanine residue and iii) two new 52-membered glycosylated macrolactones, gargantulides B and C, showing potent growth inhibitory activity against multi-resistant Gram-positive bacteria (e.g., MRSA) and moderate activity against A. baumannii, produced by an Amycolatopsis strain with an extraordinarily large biosynthetic gene cluster of 216 kbp. By exploring microbial sources from both marine and terrestrial habitats, these findings contribute to expanding the chemical diversity of microbial secondary metabolites. These results underscore the vast potential of these compounds as a promising cornerstone for drug development of new bioactive compounds.

La incesante aparición de resistencias bacterianas a los antibióticos actuales representa una amenaza significativa para la salud, siendo de vital importancia el desarrollo de nuevos tratamientos eficaces. En este contexto, la diversidad estructural de los productos naturales y sus funciones biológicas optimizadas por la evolución, ofrecen una amplia gama de posibles fármacos con potencial antimicrobiano. Históricamente estas estructuras químicas privilegiadas han jugado un papel inestimable en el descubrimiento de fármacos. Muchos de los medicamentos más importantes, incluyendo antitumorales, inmunosupresores y, en particular, antibióticos, se descubrieron originalmente a partir de fuentes naturales. A pesar de que los metabolitos secundarios muestran una ilimitada diversidad química y biológica, solo conocemos una pequeña fracción del vasto reservorio disponible en la naturaleza, donde continuamente se siguen descubriendo nuevos compuestos. Con el propósito de expandir el espacio químico en torno a los diferentes grupos de productos naturales bioactivos, se ha llevado a cabo en la presente tesis doctoral una serie de estudios destinados al descubrimiento de nuevos metabolitos secundarios a partir de la colección de microorganismos de la Fundación MEDINA. A tal efecto, se han aplicado en estos trabajos i) técnicas cribado de alto rendimiento, ii) desreplicación química de compuestos, iii) aislamiento de productos naturales microbianos, iv) elucidación estructural mediante espectroscopia de RMN y espectrometría de masas de alta resolución (HRMS), así como v) análisis de genomas para identificar microorganismos capaces de biosintetizar nuevos compuestos con características estructurales novedosas y actividad biológica prometedora. Concretamente, esta tesis describe el descubrimiento de: i) cuatro nuevos meroterpenoides de la familia de las napiradiomicinas obtenidos a partir de una cepa de Streptomyces de origen marino, incluyendo la napiradiomicina D1, primer miembro de una nuevo subtipo estructural caracterizado por un anillo de 14 miembros que mostró actividad significativa para inhibir el crecimiento de Staphylococcus aureus resistente a la meticilina, Mycobacterium tuberculosis y la línea celular tumoral humana HepG2; ii) tres nuevos pentapéptidos cíclicos análogos de las pentaminomicinas (familia que incluye miembros con actividad antibacteriana selectiva contra A. baumannii) aislados de un Streptomyces terrestre, dos de los cuales constituyen los primeros ejemplos reportados en la literatura de péptidos no ribosomales conteniendo un residuo de 2-piridil-alanina; y iii) dos nuevas macrolactonas glicosiladas de 52 miembros, gargantulidas B y C, con una potente acción antibacteriana frente a bacterias Gram-positivas multirresistentes (ej. MRSA) y actividad moderada contra A. baumannii, producidas por una cepa del género Amycolatopsis y cuya biosíntesis implica a un clúster de genes biosintéticos con un tamaño extraordinario de 216 kbp. Mediante la exploración de fuentes microbianas de hábitats marinos y terrestres, estos hallazgos aportan nuevos conocimientos que ayudan a expandir la diversidad química de los metabolitos secundarios de origen microbiano. Estos resultados ahondan en el vasto potencial de los productos naturales como un pilar prometedor en el desarrollo de nuevos compuestos bioactivos.