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Isolierung und Strukturaufklärung peptidischer und niedermolekularer bioaktiver Naturstoffe mittels LC/ESI-MS und GC/MS

Degenkolb, Thomas


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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-82624
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2011/8262/

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Peptaibiole/Peptaibiotika , Peptaibiomics , alpha-Aminoisobuttersäure (Aib) , Trichoderma/Hypocrea , Peptidantibiotika
Freie Schlagwörter (Englisch): peptaibols/peptaibiotics , peptaibiomics , alpha-aminoisobutyric acid (Aib) , Trichoderma/Hypocrea , peptide antibiotics
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Phytopathologie und Angewandte Zoologie
Fachgebiet: Agrarwissenschaften und Umweltmanagement
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Habilitation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 01.01.2011
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 18.07.2011
Kurzfassung auf Deutsch: Im Rahmen der vorliegenden Habilitationsschrift, die auf 13 Original- und Übersichtsarbeiten
beruht, werden Beiträge zur Isolierung und Strukturaufklärung peptidischer und
niedermolekularer bioaktiver Naturstoffe mittels LC/ESI-MS und GC/MS kumulativ
vorgestellt:
Der erste Teil dieser Arbeit ist der Isolierung und Sequenzierung neuer und bereits
bekannter Peptaibiotika – nicht-ribosomal biosynthetisierter, alpha,alpha-dialkylaminosäurehaltiger
Peptidantibiotika aus Pilzen – gewidmet. Im Mittelpunkt standen hierbei die Suche nach
neuen peptidischen Wirkstoffen für einen potentiellen Einsatz in der Medizin bzw. im
biologischen Pflanzenschutz sowie die Bedeutung der gefundenen Sekundärmetaboliten für
die moderne Pilztaxonomie. Unter Verwendung moderner massenspektrometrischer
Verfahren wie der HPLC-gekoppelten ESI-Quadrupol/TOF-Hybrid-MS mit Pulsarfunktion
(ESI-QqTOF-MS), der Kopplung der nicht-wäßrigen Kapillarelektrophorese (NACE) mit
ESI-MS und der HPLC-gekoppelten ESI-Ionenfallen-MS (ion trap, IT) sowie einer
peptaibiomischen Vorgehensweise als neuartigem methodisch-analytischem Ansatz wurden
aus Pilzen der Gattung Trichoderma/Hypocrea etwa 100 größtenteils neue Sequenzen linearer
Peptaibiotika ermittelt. Diese fielen entweder durch ihre neuroleptische Aktivität oder ihre
antifungale Wirkung auf die Erreger latenter Rebholzkranheiten der Weinrebe auf. Erstmalig
wurde über den Nachweis von N-terminalem Pyroglutamat und C-terminalem L-Alaninol als
neue Strukturelemente von Peptaibiotika berichtet. Die Kombination von phylogenetischmolekulartaxonomischer
Methoden mit modernen massenspektrometrischen Verfahren führte
zur Beschreibung des Brevicompactum-Cladus als neuem Zweig mit vier neuen Arten
(Trichoderma arundinaceum, T. protrudens, T. turrialbense und Hypocrea/Trichoderma
rodmanii) im Stammbaum der Gattung Trichoderma/Hypocrea. Außerdem wird auf neue
bzw. ungewöhnliche Produzenten, Strukturelemente und Baupläne von Peptaibiotika, so z. B.
die neue Unterfamilie der Cyclopeptaibiotika, eingegangen, die Geschichte und Perspektiven
der Peptaibiotikaforschung werden beleuchtet sowie das Vorkommen von alpha,alpha-
Dialkylaminosäuren in der belebten und unbelebten Natur thematisiert. Schließlich wurden
die Trifluoracetolyse und die sich anschließende Analyse der Spaltprodukte mittels ESI-MS
als geeignetes Verfahren zur Sequenzierung und Strukturaufklärung von Modellpeptiden und
Peptaibiotika untersucht und ein repetitiver Spaltmechanismus für homo-Aib-haltige Peptide
und Peptaibiotika postuliert.
Der zweite Teil der Arbeit stellt die Kopplung von HPLC und hochauflösender ESIMassenspektrometrie
als eine unentbehrliche Komplementärtechnologie für die GC/MS beim
so genannten „Metabolic Profiling“ am Beispiel von Arabidopsis thaliana als pflanzlichen
Modellorganismus dar.
Der dritte Teil der Arbeit beleuchtet die Perspektiven der Peptaibiotikaforschung im
nächsten Jahrzehnt sowie die Massenspektrometrie als analytische Hochleistungsmethode in
den Lebenswissenschaften.
Zusammenfassend ist die Massenspektrometrie als derzeit vielseitigster und
leistungsfähigster Zweig der Bioanalytik einzuschätzen, deren interdisziplinäre Rolle und
Bedeutung für die Lebenswissenschaften in den kommenden Jahren noch weiter wachsen
wird.
Kurzfassung auf Englisch: This cumulative habilitation thesis, which is divided into three chapters, comprises of 13
original research and review articles on the isolation and structural elucidation of bioactive
peptidic and low-molecular weight natural products by LC/ESI-MS and GC/MS:
The first part of this work is devoted to the isolation and sequencing of new and
recurrent peptaibiotics, i. e. fungal peptide antibiotics of non-ribosomal origin containing alpha-
dialkyl alpha-amino acids. It is focussed on the search for novel peptidic components for potential
use in medicine or as biocontrol agents (BCA) in agriculture. A second important aspect is the
significance to modern fungal taxonomy of the secondary metabolites discovered. Using
state-of-the-art mass spectrometric tools such as HPLC coupled to a pulsar ESI-QqTOF-MS,
nonaqueous capillary electrophoresis coupled to ESI-MS, HPLC coupled to ESI-ion-trap-MS,
as well as the recently established method of peptaibiomics, more than 100 novel and
recurrent linear peptaibiotics produced by strains and species of the genus
Trichoderma/Hypocrea were sequenced. Notably, some of them displayed neuroleptic
activity, whereas others were highly effective against fungal diseases of grapevine trunks.
Furthermore, N-terminal pyroglutamate and C-terminal L-Alaninol are reported as novel
constituents of peptaibiotics for the first time. The combination of morphological analyses,
molecular phylogenetics and state-of-the-art mass spectrometric tools culminated in the
recognition of the Brevicompactum clade as a separate, novel lineage, including T.
brevicompactum s. s. as well as four new species, T. arundinaceum, T. protrudens, T.
turrialbense, and H./T. rodmanii. New and uncommon fungal producers, structural elements,
and building schemes of peptaibiotics as well as the history of research in this field are
reviewed, and a new subfamily of peptaibiotics, the so-called cyclopeptaibiotics, is
introduced. Future prospects for peptaibiotic research are discussed, and the distribution of
biotic and abiotic alpha-dialkyl alpha;-amino acids is critically scrutinised. Finally, trifluoroacetolysis
of peptaibiotics as well as peptides and subsequent analysis of its cleavage products by ESIMS
are presented as an effective tool for sequencing and structural elucidation of model
peptides and peptaibiotics, and a repetitive cleavage mechanism for Aib-containing peptides
is postulated.
The second part of this work introduces the benefits of HPLC coupled to electrospray
ionisation quadrupole time-of-flight mass spectrometry as an indispensable, complementary
technique to GC/MS for profiling of secondary metabolites of Arabidopsis thaliana as a plant
model organism.
The third part of this work discusses the future prospects for peptaibiotic research in
the next decade and the role of mass spectrometry as an anaqlytical key technology in life
sciences.
In conclusion, mass spectrometry can be characterised as the most versatile and
powerful discipline in bioanalytics whose interdisciplinary role and importance in life
sciences is predicted to grow further in the forthcoming years.
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