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Isolation and Physicochemical Characterization of Novel Secondary Metabolites from Streptomyces strains Acta 3662, BK 190 and Acta 3062 [Elektronische Ressource] / Soleiman Elsayed Soleiman Helaly. Betreuer: Roderich Süßmuth

De
188 pages
Isolation and Physicochemical Characterization of Novel Secondary Metabolites from Streptomyces strains Acta 3662, BK 190 and Acta 3062 vorgelegt von M.Sc. Soleiman Elsayed Soleiman Helaly Sohag, Ägypten Von der Fakultät II – Mathematik und Naturwissenschaften der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Naturwissenschaften - Dr. rer. nat. - genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr. rer nat. Michael Gradzielski Erster Berichter: Prof. Dr. rer. nat. Roderich D. Süßmuth Zweiter Berichter: Prof. Dr. rer. nat. Hartmut Laatsch Tag der wissenschaftlichen Aussprache: September 15, 2011 Berlin 2011 D 83 Summary Isolation and Physicochemical Characterization of Novel Secondary Metabolites from Streptomyces strains Acta 3662, BK 190 and Acta 3062 This thesis reports on the isolation and the physicochemical characterization, including UV/Vis studies, mass spectrometry, 1D- and 2D-NMR spectroscopy, IR and the optical activity, of novel secondary metabolites isolated from three Streptomyces strains, Acta 3662, BK 190 and Acta 3062. The strains were isolated during a chemical screening program to detect novel secondary metabolites from actinomycetes for pharmaceutical applications in cooperation with the group of Prof. Hans-Peter Fiedler (Universität Tübingen).
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Isolation and Physicochemical Characterization of Novel
Secondary Metabolites from Streptomyces strains Acta 3662,
BK 190 and Acta 3062


vorgelegt von
M.Sc.
Soleiman Elsayed Soleiman Helaly
Sohag, Ägypten


Von der Fakultät II – Mathematik und Naturwissenschaften
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften
- Dr. rer. nat. -

genehmigte Dissertation

Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. rer nat. Michael Gradzielski
Erster Berichter: Prof. Dr. rer. nat. Roderich D. Süßmuth
Zweiter Berichter: Prof. Dr. rer. nat. Hartmut Laatsch

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: September 15, 2011

Berlin 2011

D 83





























Summary
Isolation and Physicochemical Characterization of Novel Secondary Metabolites from
Streptomyces strains Acta 3662, BK 190 and Acta 3062
This thesis reports on the isolation and the physicochemical characterization, including
UV/Vis studies, mass spectrometry, 1D- and 2D-NMR spectroscopy, IR and the optical
activity, of novel secondary metabolites isolated from three Streptomyces strains, Acta 3662,
BK 190 and Acta 3062. The strains were isolated during a chemical screening program to
detect novel secondary metabolites from actinomycetes for pharmaceutical applications in
cooperation with the group of Prof. Hans-Peter Fiedler (Universität Tübingen). The strains
were cultivated in different complex media, extracts were prepared from mycelia and culture
filtrates and were screened by analytical HPLC-DAD to determine the UV/Vis spectra of the
secondary metabolites which then compared with a HPLC-UV-Vis database which contains
approx. 950 natural products, mainly antibiotics.
Streptomyces strain Acta 3662 was isolated from bamboo tree rhizosphere in the tropical
rainforest of University of Malaya Field Station at Gombak, Selangor, Malaysia. The strain
was characterized by its morphological and chemotaxonomical features and by 16S rDNA
sequencing as Streptomyces griseoruber. It revealed a family of secondary metabolites which
showed no spectral identity to those of the HPLC-UV-Vis database. The compounds were
isolated and their structures were determined by high-resolution mass spectrometry and by
1D- and 2D-NMR spectroscopy as a new family of the naturally occurring -pyrones. They
were named gombapyrones A–D and found to have an inhibitory activity against protein
tyrosine phosphatase 1B and glycogen synthase kinase 3 .
Two novel alkylhydrazides, elaiomycins B and C, together with the azoxy antibiotic
elaiomycin were isolated from Streptomyces sp. BK 190, which were isolated from a hay
meadow soil taken from Cockle Park Experimental Farm in Northumberland, UK. The
metabolites were isolated from the fermentation broth by extraction and chromatographic
purification steps. The structures were established by 1D- and 2D-NMR spectroscopy
15including N NMR studies and high-resolution orbitrap-ESI-mass spectrometry. Elaiomycins
B and C exhibited a remarkable inhibition of the enzymes acetylcholinesterase and
phosphodiesterase (PDE-4B2). A new 32-membered macrolactone antibiotic, named langkolide was isolated from the
mycelium of Streptomyces sp. Acta 3062. The producing strain was isolated from rhizosphere
soil of Clitorea sp. collected from the sandy beaches of Burau Bay, Langkawi, Malaysia, and
was characterized by its morphological and chemotaxonomic features and by the 16S rRNA
gene sequence. It was identified as a member of the Streptomyces galbus clade. Langkolide
exhibited various bioactivities including antimicrobial and anticancer activity. Furthermore,
Langkolide inhibited human recombinant phosphodiesterase 4 (PDE4) with an IC value of 50
0.48 µM.
Zusammenfassung
Isolierung und physikochemische Charakterisierung von neuen Sekundärmetaboliten aus
den Streptomycesstämmen Acta 3662, BK 190 und Acta 3062
In dieser Arbeit wird die Isolierung und physikochemische Charakterisierung neuer
Sekundärmetabolite, die aus den drei Streptomyceten-Stämmen Acta 3662, BK 190 und Acta
3062 isoliert wurden, dargestellt. Die Charakterisierung erfolgte mit UV/Vis-Spektroskopie,
Massenspektrometrie, 1D- und 2D-NMR-Spektroskopie, IR-Spektroskopie und die
Bestimmung des Drehwerts mittels optischer Aktivität. Die Streptomycetenstämme wurden
im Rahmen eines chemischen Screeningprogramms in Kooperation mit der Arbeitsgruppe
von Professor Hans-Peter Fiedler (Universität Tübingen) isoliert, um neue
Sekundärmetabolite aus Actinomyceten für potentielle pharmazeutische Anwendungen
detektieren zu können. Die Streptomycetenstämme wurden in verschiedenen Komplexmedien
kultiviert, wobei die aus dem Myzel bzw. aus den Kulturfiltraten gewonnenen Extrakte
mittels analytischer HPLC-DAD untersucht wurden. Die dort gewonnenen UV/Vis-Spektren
der Sekundärmetabolite wurden mit denen einer HPLC-UV-Vis-Datenbank, die ungefähr 950
Naturstoffe, hauptsächlich Antibiotika, enthält, verglichen.
Der Streptomyces-Stamm Acta 3662 wurde aus der Bambusbaum-Rhizosphäre im tropischen
Regenwald der Universität von Malaya Field Station in Gombak, Selangor, Malaysia, isoliert.
Der Stamm wurde durch seine morphologischen und chemotaxonomischen Merkmale, sowie
seine 16S-rRNA-Sequenz als Streptomyces griseoruber–Stamm charakterisiert. Entdeckt in
den Kulturfiltraten des Streptomycetenstames wurde eine Familie von Sekundärmetaboliten,
die keine Übereinstimmung in der spektralen Identität mit Vergleichssubstanzen aus der
HPLC-UV-Vis-Datenbank aufwies. Die Verbindungen wurden isoliert und ihre Strukturen
mittels hochauflösende Massenspektrometrie und 1D- bzw. 2D-NMR-Spektroskopie als eine
neue Familie von natürlich vorkommenden α-Pyronen aufgeklärt. Sie wurden Gombapyrone
A-D genannt und zeigen eine inhibitorische Aktivität gegen die Proteine Tyrosinphosphatase
1B und Glykogensynthasekinase 3β.
Zwei neue Alkylhydrazide, Elaiomycin B und C, wurden zusammen mit dem Azoxy-
Antibiotikum Elaiomycin im Stamm Streptomyces sp. BK 190 entdeckt, der aus
Heusumpfboden von der Cockle Park Experimentalfarm in Northumberland, UK isoliert
wurde. Die Metabolite wurden aus dem Fermentationsmedium durch Extraktion und
chromatographische Aufreinigungsschritte isoliert. Die Strukturen wurden mit Hilfe von 1D- 15bzw. 2D-NMR-Spektroskopie durch N-NMR-Spektren und hochauflösender Orbitrap-ESI-
Massenspektrometrie aufgeklärt. Die Elaiomycine B und C wiesen eine erhebliche
Inhibierung der Enzyme Acetylcholinesterase und Phosphodiesterase (PDE-4B2) auf.
Als letzte Verbindung wurde ein neues 32-gliedriges Macrolactonantibiotikum namens
Langkolide aus dem Myzel von Streptomyces sp. Acta 3062 isoliert. Der produzierende
Stamm wurde aus dem Rhizosphärenboden der sandigen Strände von Burau Bay, Langkawi,
Malaysia aus Clitorea sp. isoliert. Er konnte über seine morphologischen,
chemotaxonomischen Merkmale und die 16S-rRNA-Gensequenz charakterisiert und als zur
Streptomyces galbus Clade zugehörig identifiziert werden. Langkolide zeigen verschiedene
Bioaktivitäten, u.a. antimikrobielle und Antitumor-Aktivität. Außerdem inhibieren
Langkolide die humane rekombinante Phosphodiesterase 4 (PDE4) mit einem IC -Wert von 50
0,48 µM.
The results presented in this thesis were published in the following:

Articles
1. Soleiman Helaly, Kathrin Schneider, Jonny Nachtigall, Sabaratnam Vikineswary, Geok
Yuan Annie Tan, Heidi Zinecker, Johannes F. Imhoff, Roderich D. Süssmuth, Hans-
Peter Fiedler; Gombapyrones, new -pyrone metabolites produced by Streptomyces
griseoruber Acta 3662. J. Antibiot., 2009, 62, 445–452.

2. Soleiman E. Helaly, Alexander Pesic, Hans-Peter Fiedler, and Roderich D. Süssmuth;
Elaiomycins B and C: alkylhydrazide antibiotics from Streptomyces sp. BK 190 Org.
Lett. 2011, 13, 1052–1055.

3. Byung-Yong Kim, Stefanie Willbold, Andreas Kulik, Soleiman E. Helaly, Heidi
Zinecker, Jutta Wiese, Johannes F Imhoff, Michael Goodfellow, Roderich D. Süssmuth
and Hans-Peter Fiedler; Elaiomycins B and C, novel alkylhydrazides produced by
Streptomyces sp. BK 190 J. Antibiot. 2011, 64, 595–597.

4. Soleiman E. Helaly, Andreas Kulik, Heidi Zinecker, Kamalanathan Ramachandaran,
Geok Yuan Annie Tan, Johannes F. Imhoff, Roderich D. Süssmuth, Hans-Peter Fiedler,
and Vikineswary Sabaratnam; Langkolide, a 32-membered macrolactone antibiotic
produced by Streptomyces sp. Acta 3062 J. Nat. Prod. 2011 (submitted).
Posters
1. Soleiman E. Helaly, Byung-Yong Kim, Stefanie Willbold, Heidi Zinecker, Alexander
Pesic, Andreas Kulik, Jutta Wiese, Johannes F. Imhoff, Michael Goodfellow, Hans-Peter
Fiedler, Roderich D. Süssmuth; Elaiomycins B and C: Alkylhydrazide antibiotics from
Streptomyces sp. BK 190 „„23. Irseer Naturstofftage: Aktuelle Entwicklung in der
Naturstoff-Forschung‟‟ February 23-25, 2011, Kaufbeuren, Germany.

2. Soleiman E. Helaly, Kathrin Schneider, Graeme Nicholson, Hans-Peter Fiedler and
Roderich D. Süssmuth; Four new -pyrone derivatives from Actinomyces sp. Acta 3662
„„International congress of Drug Discovery and Delivery: Membrane Proteins and
Natural Product Research‟‟ April 16-17, 2009, Freiburg, Germany.


This work were supervised by

Prof. Dr. Roderich D. Süssmuth

In the time period of July 2007 to September 2011 at the „Institut für Chemie, Technische
Universität Berlin‟ were accomplished.