Bio-synthetic Yield Improvement of Platensimycin through Co-culture of Two Streptomyces spp.: Identification of Inducing Factor produced by the Co-culture strain CMDD14E023

Abstract

Infectious diseases caused by bacteria have not been conquered yet since ancient times to the present. Since the development of penicillin which is the first antibiotic, the problem of infectious diseases originated from bacteria seemed to be solved. However, with the emergence of antibiotic-resistant bacteria, the mortality rate due to bacterial infection has been increasing repetitively. Therefore, antibiotics with new mechanisms of action that can act on resistant bacteria are regarded and natural antibiotics produced by microorganisms suggest the possibility of discovering new antibiotics. Among them, platensimycin is a broad-spectrum antibiotic against gram-positive pathogens and inhibits the fatty acid synthesis system. In this study, we increased the biosynthetic yield of platensimycin, a natural antibiotic produced by Streptomyces platensis and synthesized its derivatives. As a method to increase the biosynthetic yield, six media conditions and five extraction methods were conducted. As a result of media and extraction method study, the best condition that could synthesize and extract platensimycin was corn meal media and acidic ethyl acetate extraction. The liquid media extract of S. platensis grown for 14 days in media containing corn meal was separated from and purified by various chromatography techniques and chemical methods in order to obtain pure platensimycin. In addition, the yield was increased through a co-culture method using Streptomyces champavatii. It was confirmed that the yield was not increased with other strains. Furthermore, a compound made by S. champavatii increased the biosynthetic yield of platensimycin. The chemical structures of the extracted and purified compounds in this thesis were identified through NMR (Nuclear Magnetic Resonance), mass spectroscopy, and UV (Ultra Violet) spectroscopy. Through this study, the biosynthetic yield of platensimycin was increased by about four times and the causative substance (Inducer) was found and elucidated.

세균에 의한 감염병은 고대에서부터 현재까지 정복되지 않은 질병이다. 최초의 항생제인 페니실린이 개발된 이후 세균에 의한 감염병 문제가 해결되는 듯 보였으나, 항생제 내성균들의 등장으로 세균 감염에 의한 사망률이 다시 증가하고 있다. 따라서 내성균에게도 작용할 수 있는 새로운 작용 기작을 가진 항생제가 필요하고, 미생물로부터 생합성되어 나오는 천연 항생물질들은 신규 항생 물질의 발견 가능성을 제시하고 있다. 그 중 플라텐시마이신은 그람양성균의 강한 광범위항생제로 지방산 합성 시스템을 저해하는 독특한 방식으로 항생 효과를 보인다. 본 연구에서는 미생물 Streptomyces platensis가 생합성하는 천연 항생물질 플라텐시마이신의 생합성 수율을 증대할 방법을 연구하였다. 생합성 수율을 증대하는 방법으로 여섯 가지 배지 조건과 공동 배양을 이용하였으며, 추출양 최적화를 위한 다섯 가지 추출 방법을 시도하였다. 수득률이 가장 높고, 추출되는 양이 가장 많은 조건은 다음과 같다. 옥수수 가루를 이용한 배지에서 혼합배양 균주(Streptomyces sp. CMDD14E023)를 3일 먼저 키운 뒤, Streptomyces platensis를 접종하고 추가적으로 11일간 더 배양한다. 그 이후 산성 조건의 아세트산 에틸을 이용하여 추출한다. 14일간 키워진 S. platensis의 액체 배지 추출물은 다양한 크로마토그래피 기법과 화학적 방법으로 분리 및 정제하여 순수한 플라텐시마이신을 얻었다. 또한 Streptomyces champavatii 균주를 이용한 혼합배양 방식을 통해 수율을 증대시켰으며, S. champavatii 가 아닌 다른 균주로 진행한 실험에서는 수율이 증대되지 않음을 확인하였다. 또한 S. champavatii가 만들어내는 물질 중 생합성 수율을 증가시키는 화합물을 발견하였다. 추출 및 정제된 물질들의 화학적 구조는 NMR, 질량분석과 UV 분광법을 통해 규명하였다. 본 연구를 통해 플라텐시마이신의 생합성 수득량이 약 4배 증가하였으며, 수득량 증대에 기여하는 화합물을 확인하였다.