微生物具有合成多種天然產(chǎn)物的能力，是人類(lèi)進(jìn)行藥物開(kāi)發(fā)的寶庫。但在微生物合成天然產(chǎn)物時(shí)，大量合成基因仍處于“沉默”狀態(tài)，它們的產(chǎn)物被稱(chēng)為微生物“生命暗物質(zhì)”。有效激活并挖掘這些“生命暗物質(zhì)”，有望突破發(fā)現新天然產(chǎn)物的瓶頸。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)深圳先進(jìn)院合成所）研究員羅小舟、美國加州大學(xué)伯克利分校教授Jay D.Keasling及深圳灣實(shí)驗室化學(xué)生物學(xué)研究所研究員唐嘯宇，利用泛基因組分析技術(shù)，在鏈霉菌屬中鑒定了597個(gè)基因，并發(fā)現一個(gè)關(guān)鍵途徑，可以顯著(zhù)提高鏈霉菌的天然產(chǎn)物產(chǎn)量，產(chǎn)生具有藥物潛力的新化合物。這對開(kāi)發(fā)新型抗生素、提高天然產(chǎn)物產(chǎn)量具有重要意義。相關(guān)論文近日發(fā)表于《自然-代謝》。
“這項成果不僅激發(fā)了我們對重啟微生物天然產(chǎn)物‘生命暗物質(zhì)’生物合成的共同興趣，也為合成生物學(xué)在藥物研發(fā)等領(lǐng)域的應用提供了新策略。”中國科學(xué)院院士、微生物代謝國家重點(diǎn)實(shí)驗室主任鄧子新評價(jià)道。
提出“細胞工廠(chǎng)”產(chǎn)量新策略
放線(xiàn)菌是生產(chǎn)抗生素的主要微生物之一，而鏈霉菌是放線(xiàn)菌門(mén)類(lèi)中最典型的一類(lèi)，它是已知的天然產(chǎn)物生物合成基因簇最豐富的微生物之一，被稱(chēng)為“細胞工廠(chǎng)”。
“為了在自然環(huán)境中生存，鏈霉菌可以進(jìn)化出大量次級代謝基因，以基因簇的形式生產(chǎn)各種生物活性物質(zhì)，從而抵抗外敵和抑制競爭者。相比于其他微生物，鏈霉菌中的次級代謝基因簇更多，不同菌株間的能力差異也很大。”論文共同第一作者、深圳先進(jìn)院合成所助理研究員王欣然解釋說(shuō)。
如果找到產(chǎn)生生物活性物質(zhì)能力有差異的鏈霉菌菌株，并研究哪些基因可能與活性物質(zhì)的高產(chǎn)共同進(jìn)化，就有望開(kāi)發(fā)出改造鏈霉菌促進(jìn)產(chǎn)物合成、激活沉默基因簇的新方法，進(jìn)而揭秘微生物代謝“生命暗物質(zhì)”。
與大腸桿菌、酵母等微生物相比，放線(xiàn)菌的遺傳改造技術(shù)并不成熟。
一方面，改造菌株生長(cháng)和發(fā)酵的時(shí)間長(cháng)，且菌株個(gè)體具有不均一性。目前，該領(lǐng)域的研究主要集中在對單個(gè)菌株的遺傳物質(zhì)、生活環(huán)境或代謝物質(zhì)等進(jìn)行調控。另一方面，大量基因組分析需要專(zhuān)業(yè)人員開(kāi)發(fā)相應的算法，試錯成本高，鮮有通用策略來(lái)提高不同天然產(chǎn)物的產(chǎn)量。
為此，羅小舟團隊花了將近4年時(shí)間，利用泛基因組分析技術(shù)系統分析整個(gè)鏈霉菌屬的基因組，繞過(guò)對放線(xiàn)菌單個(gè)菌株的研究，聚焦其種群規律，建立了囊括20余種不同放線(xiàn)菌菌株的公共操作平臺，通過(guò)“自下而上”的方式開(kāi)發(fā)了普適性的改造方法。
“這一方法節省了傳統基于機理的研究所耗費的時(shí)間與人力成本，為開(kāi)發(fā)適用于多種植物和微生物的天然產(chǎn)物生產(chǎn)改造技術(shù)提供了新思路，并加快了揭示天然產(chǎn)物合成未知領(lǐng)域的進(jìn)程。”羅小舟說(shuō)。
找到提高產(chǎn)量的關(guān)鍵途徑
研究團隊通過(guò)泛基因組分析技術(shù)，鑒定了與聚酮化合物基因簇共同進(jìn)化的597個(gè)基因，其中發(fā)現，由輔酶吡咯喹啉醌（PQQ）合成的基因簇在鏈霉菌合成天然產(chǎn)物過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
研究團隊與上海交通大學(xué)教授白林泉、華中科技大學(xué)教授孫宇輝合作，在鏈霉菌菌株和工業(yè)放線(xiàn)菌菌株中引入PQQ生物合成途徑后，發(fā)現至少有16385種代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量顯著(zhù)提高，其中包括慶大霉素、安絲菌素在內的36種已知天然產(chǎn)物，有望應用于菌劑、抗真菌劑和抗癌劑等。
值得注意的是，研究團隊還觀(guān)察到新的代謝產(chǎn)物產(chǎn)生，其中一些甚至具有潛在的抗生素活性和臨床感染菌株活性。
“這證實(shí)，引入這一新途徑使得鏈霉菌中一些沉默的基因簇被‘喚醒’，激活了鏈霉菌中未被發(fā)現的潛在代謝途徑，為開(kāi)發(fā)新型抗生素等藥物提供了重要線(xiàn)索。”羅小舟說(shuō)。
此外，該研究通過(guò)深入的蛋白質(zhì)組和代謝組分析發(fā)現，PQQ生物合成途徑的引入增強了多種天然產(chǎn)物的合成效率。
“未來(lái)，我們將利用合成生物研究重大科技基礎設施，對鏈霉菌中已發(fā)現的597個(gè)共有基因進(jìn)行自動(dòng)化分析。隨著(zhù)更多基因功能的表征，我們將深入探討各個(gè)基因對天然產(chǎn)物增產(chǎn)和激活的機理，以及它們和抗生素的聯(lián)系。”羅小舟介紹，團隊將持續推進(jìn)菌株的開(kāi)發(fā)改造工作，探索鏈霉菌在生產(chǎn)抗生素和天然產(chǎn)物等方面的產(chǎn)業(yè)應用。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s42255-024-01024-9
（原載于《中國科學(xué)報》 2024-04-18 第1版 要聞）
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