微生物具有合成多種天然產(chǎn)物的能力。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)物被稱為微生物“生命暗物質(zhì)”。

如何有效激活并挖掘這些“生命暗物質(zhì)”？

近日，中國(guó)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)稱深圳先進(jìn)院合成所）研究員羅小舟，與美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校教授杰·基斯林及深圳灣實(shí)驗(yàn)室化學(xué)生物學(xué)研究所研究員唐嘯宇聯(lián)合在《自然·代謝》發(fā)表最新研究成果。

研究團(tuán)隊(duì)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。他們還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵途徑，能顯著提升鏈霉菌的天然產(chǎn)物產(chǎn)量，并產(chǎn)生具有藥物潛力的新化合物。這一成果對(duì)開發(fā)新型抗生素以及提高天然產(chǎn)物產(chǎn)量具有重要意義。

中國(guó)科學(xué)院院士鄧子新評(píng)價(jià)道，“這項(xiàng)成果不僅激發(fā)了我們重啟微生物天然產(chǎn)物‘暗物質(zhì)’生物合成的興趣，也為合成生物學(xué)在藥物研發(fā)等領(lǐng)域的應(yīng)用，提供了新的策略。”

建立“細(xì)胞工廠”產(chǎn)量新策略

放線菌是生產(chǎn)抗生素主要微生物之一。作為放線菌門類中最典型的一類，鏈霉菌是已知天然產(chǎn)物生物合成基因簇最豐富的微生物之一，被稱為“細(xì)胞工廠”。

“為了在自然環(huán)境中生存，鏈霉菌可以進(jìn)化出大量次級(jí)代謝基因，以基因簇形式生產(chǎn)各種生物活性物質(zhì)，來抵抗外敵和抑制競(jìng)爭(zhēng)者?！鄙钲谙冗M(jìn)院合成所助理研究員王欣然介紹，相比其他微生物，鏈霉菌中的次級(jí)代謝基因簇更多，不同菌株間能力差異也很大。

在研究團(tuán)隊(duì)看來，如果能找到產(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)”。

然而，與大腸桿菌、酵母等微生物相比，放線菌的遺傳改造技術(shù)并不成熟。目前，該領(lǐng)域的研究主要集中在對(duì)單個(gè)菌株的遺傳物質(zhì)、生活環(huán)境、代謝物質(zhì)等進(jìn)行調(diào)控，并鮮有通用策略來提高不同天然產(chǎn)物的產(chǎn)量。

對(duì)此，羅小舟團(tuán)隊(duì)花了將近4年時(shí)間，利用泛基因組分析技術(shù)系統(tǒng)分析整個(gè)鏈霉菌屬的基因組，跳過了對(duì)放線菌單個(gè)菌株的研究，聚焦種群規(guī)律，建立了囊括20余種不同放線菌菌株的公共操作平臺(tái)，通過“自下而上”的方式開發(fā)了普適性的改造方法。

羅小舟表示，“這一方法繞過了傳統(tǒng)基于機(jī)理研究所耗費(fèi)的時(shí)間與人力成本，為開發(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?！?/p>

找到提升產(chǎn)量關(guān)鍵途徑

在該研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過泛基因組分析技術(shù)，鑒定了與聚酮化合物基因簇共同進(jìn)化的597個(gè)基因，并發(fā)現(xiàn)其中由輔酶吡咯喹啉醌（PQQ）合成的基因簇是鏈霉菌在合成天然產(chǎn)物過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

研究團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)白林泉教授和華中科技大學(xué)孫宇輝教授合作，在鏈霉菌菌株和工業(yè)放線菌菌株中引入PQQ生物合成途徑后，研究發(fā)現(xiàn)至少有16385種代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量顯著提高，其中包括慶大霉素、安絲菌素在內(nèi)的36種已知天然產(chǎn)物，有望運(yùn)用于菌劑、抗真菌劑和抗癌劑等。

值得注意的是，研究團(tuán)隊(duì)還觀察到新的代謝產(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)了，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(xiàn)的潛在代謝途徑，為新型抗生素等藥物的開發(fā)提供了重要線索?！绷_小舟說。

此外，該研究通過深入的蛋白質(zhì)組和代謝組分析發(fā)現(xiàn)，PQQ生物合成途徑的引入還增強(qiáng)了多種天然產(chǎn)物的合成效率。

“未來，我們將利用合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)鏈霉菌中已發(fā)現(xiàn)的597個(gè)共有基因進(jìn)行自動(dòng)化分析，并將隨著更多基因功能的表征，深入探討各個(gè)基因?qū)μ烊划a(chǎn)物的增產(chǎn)和激活機(jī)理以及和抗生素的聯(lián)系?！绷_小舟介紹，團(tuán)隊(duì)還將持續(xù)推進(jìn)菌株的開發(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(yīng)用。

來源：科技日?qǐng)?bào)