微生物降解石油烃的功能基因研究进展

微生物对石油烃的降解在自然衰减去除土壤和地下水石油烃污染的过程中发挥了重要作用。微生物通过其产生的一系列酶来利用和降解这类有机污染物,其中,编码关键降解酶的基因称为功能基因。功能基因可作为生物标志物用于分析环境中石油烃降解基因的多样性。因此,研究石油降解功能基因是分析土著微生物群落多样性、评价自然衰减潜力与构建基因工程菌的重要基础。本文主要介绍了烷烃和芳香烃在有氧和无氧条件下的微生物降解途径,重点总结了烷烃和芳香烃降解的主要功能基因及其作用,包括参与羟化作用的单加氧酶和双加氧酶基因、延胡索酸加成反应的琥珀酸合酶基因以及中心中间产物的降解酶基因等。     

一株蟾毒灵转化菌株的筛选鉴定与转化条件优化

【背景】微生物转化是对天然产物进行结构修饰的重要手段,具有催化反应快、选择性强、反应条件易控制和污染小等特点。许多微生物能够对蟾毒配基类化合物进行生物转化,在不同位置进行结构修饰,并且产生毒性减弱的活性衍生物。【目的】筛选蟾毒灵生物转化菌株,以期发现活性更好、毒性降低的化合物。【方法】利用蟾毒灵为底物筛选其生物转化菌株,通过HPLC (High performance liquid chromatography)/LC-MS (Liquid chromatograph-mass spectrometer)鉴定转化产物;对可生物转化蟾毒灵的菌株进行菌落形态观察和分子生物学鉴定,并优化发酵条件提高转化率,同时测试该菌株对其他甾体化合物的转化作用。【结果】筛选获得一株蟾毒灵转化菌,经形态学与ITS (Internal transcribed spacer)分析鉴定为Naganishia属菌,转化产物为3-去氢蟾毒灵。该菌株生物转化的培养基最适底物浓度为8 mg/L,最适初始pH值为6.5,最佳接种量为3%,最佳转化时间为96 h,最终转化率为48.3%。该菌株可将雌酮E1转化为雌二醇E2,也可将雌二醇E2逆向转化为E1。【结论】首次发现Naganishia属菌株对甾体类化合物具有转化活性,其产生的弱细胞毒性的转化产物3-去氢蟾毒灵有望成为高效、安全的强心药物。微生物转化法选择性高、反应条件温和、操作简单,为大量制备活性化合物3-去氢蟾毒灵提供了一条简便易行的道路,也为更多甾体化合物结构修饰提供了可能。     

链霉菌Streptomyces antibioticus NRRL 8167中Naphthgeranine A生物合成基因簇的分析鉴定

【背景】微生物来源的天然产物是小分子药物或药物先导物的重要来源。对链霉菌Streptomyces antibioticus NRRL 8167的基因组分析显示,其包含多个次级代谢产物的生物合成基因簇,具有产生多种新化合物的潜力。【目的】对链霉菌S. antibioticus NRRL 8167中次级代谢产物进行研究,以期发现结构新颖或生物活性独特的化合物,并对相应产物的生物合成基因簇和生物合成途径进行解析。【方法】利用HPLC图谱结合特征性紫外吸收和LC-MS方法,排除S. antibioticus NRRL 8167产生的已知化合物,确定具有特殊紫外吸收的化合物作为挖掘对象,然后利用正、反相硅胶柱色谱、高效液相色谱等技术对次级代谢产物进行分离纯化,分离化合物。利用质谱及核磁共振光谱技术对化合物结构进行解析和鉴定;提取链霉菌S. antibioticus NRRL 8167基因组DNA,利用PacBio测序平台进行基因组测序;利用生物信息学对基因组进行注释,并对合成该化合物的基因簇进行定位分析,推导其生物合成途径。【结果】确定这个化合物是NaphthgeranineA,属于聚酮类化合物。全基因组序列分析发现S.antibioticusNRRL8167基因组含有28个次级代谢产物生物合成基因簇,其中基因簇20可能负责Naphthgeranine A的生物合成,并对其生物合成途径进行了推导。【结论】基于紫外吸收光谱和质谱特征,从S. antibioticus NRRL 8167菌株的发酵提取物中分离鉴定了一个聚酮类化合物Naphthgeranine A。该菌株的全基因组测序为其生物合成基因簇的鉴定提供了前提,对Naphthgeranine A生物合成基因簇和生物合成途径的推测为进一步研究这个化合物的生物合成机制奠定了基础。     

基于化学遗传学筛选产萘醌类化合物内生放线菌

【目的】为探究含具有抗肿瘤活性的美登素的滑桃(Trewia nudiflora)种子中内生放线菌的多样性,以及从内生放线菌中寻找萘醌类化合物产生菌。【方法】利用放线菌富集筛选培养基对经消毒处理的滑桃种子进行内生菌分离,根据菌落形态及16S rRNA基因序列分析进行菌种的分类鉴定。通过对所分离到的内生放线菌拮抗模式病原细菌(金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌)、作物病原真菌(小麦赤霉菌、水稻纹枯病致病菌等)活性检测,以及萘醌类化合物合成关键基因为探针定向筛选萘醌类化合物产生菌。【结果】从分离到的100余株滑桃种子内生菌中鉴定出66株以链霉菌为主的放线菌,发现Streptomyces sp.HTZ27菌株含有目标基因,经固体发酵、化合物分离纯化、鉴定后,发现该菌发酵产物中有呋喃萘醌I,得率接近5 mg/L。【意义】本研究采用的化学遗传学方法可有效提高筛选目标化合物产生菌的效率,所筛选到FNQ I产生菌为深入研究呋喃萘醌类化合物生物合成与调控、抗肿瘤分子机理以及产业化应用等创建了有利条件。     

基于莽草酸途径微生物合成芳香族化合物及其衍生物的研究进展

芳香族化合物是一类重要的天然产物,在自然界中广泛存在,应用于食品、医药、化工等多个领域,主要通过化学合成、植物提取等方式获得。近年来,随着石化资源减少、人类环保意识的加强,微生物合成芳香族化合物及其衍生物成为热点。莽草酸途径合成的芳香族化合物及其衍生物多种多样。现重点综述通过莽草酸途径合成的"达菲"药物前体莽草酸、大宗化学品己二酸前体顺,顺-粘康酸、芳香族氨基酸及其他高附加值芳香族氨基酸衍生物的微生物合成研究进展,为建立生产高附加值化合物的细胞工厂提供参考。     

微生物来源天然产物中的β-甲基色氨酸单元及其生物合成研究进展

微生物在次级代谢过程中通常会产生结构复杂、活性多样的天然产物。这些天然产物是新药发展的基础,亦可作为先导化合物或重要的药效基团用于药物研发。结构多样的氨基酸单元是参与合成复杂多样天然产物的重要前体。天然产物中的β-甲基氨基酸单元不仅可以赋予其生物活性,还能增强其生物稳定性而不被肽酶水解。本文综述了含有β-甲基氨基酸单元的天然产物,尤其对含有β-甲基色氨酸单元的天然产物生物合成途径进行了阐释。对β-甲基色氨酸单元生物合成途径的理解结合基因组数据有助于进行新结构天然产物的挖掘,并为运用代谢科学理念和合成生物学技术开发含有该单元的新化合物提供理论基础和可操作遗传元件。     

线虫共生致病杆菌PacYellow的吲哚抗生素

【目的】研究特殊生境的微生物——嗜线虫致病杆菌(Xenorhabdus bovienii Pac Yellow)的次级代谢产物,为微生物药物或农用抗生素开发提供结构多样的化合物。【方法】通过16S r RNA基因比对鉴定菌株;利用薄层层析、硅胶柱层析、凝胶层析、液相制备等技术进行分离纯化;利用质谱、红外光谱与核磁共振等光谱技术鉴定化合物结构。【结果】Pac Yellow菌株被鉴定属于致病杆菌属bovienii种。从该菌株中分离纯化了4个单体化合物,它们的结构被鉴定为吲哚类衍生物,可能源于色氨酸与缬氨酸或异亮氨酸的缩合产物。【结论】从嗜线虫致病杆菌——Pac Yellow菌株中分离鉴定了4个吲哚生物碱类抗生素,它们具有中等到高的抗菌活性。     

色氨酸, 天然产物生物合成中的重要结构单元

氨基酸作为生物体内组成生命物质的小分子化合物, 在天然产物生物合成中扮演了非常重要的作用。色氨酸含有一个独特的吲哚环, 相对复杂的吲哚环平面结构使得色氨酸相比其他氨基酸具有更多的修饰空间。在微生物天然产物生物合成研究中, 色氨酸及其衍生物经常作为组成模块参与到天然产物的生物合成中, 本文概述了色氨酸几种不同的生物修饰方式, 包括烷基化修饰、卤化修饰、羟基化修饰、以及吲哚环的开环重排反应等。分析并总结色氨酸在天然产物生物合成中的作用可以增加我们对天然产物结构多样性的认识和推动天然产物生物合成机制的研究。     

基于转录组分析大肠杆菌响应亚碲酸盐的机制

亚碲酸盐对绝大多数微生物有高毒性,可用作抗菌剂;但其具体毒性机制仍不清楚。【目的】理解亚碲酸盐的毒性机制,揭示亚碲酸盐处理导致的代谢变化。【方法】本研究通过比较转录组分析与挖掘差异转录基因,探讨了大肠杆菌响应亚碲酸盐胁迫的机制。【结果】Escherichia coli MG1655在10μg/mL亚碲酸盐处理1 h后,比较和分析了亚碲酸盐处理组与对照组的转录水平差异,发现细胞呈现一种明显的适应性变化,许多参与重要代谢途径的基因转录水平改变。其中,与核糖体代谢和鞭毛组装相关基因的转录水平发生显著变化,表明这两条途径很可能是亚碲酸盐作用的主要途径。与细胞能动性、金属离子代谢、细胞膜功能相关的基因的转录水平也发生了明显变化,可能是由于其参与了抵抗亚碲酸盐毒性的细胞代谢调节和损伤修复。【结论】本项工作有助于推动亚碲酸盐毒性机理的研究,促进亚碲酸盐的临床应用。     

放线菌中铁载体生物合成机制研究进展

铁载体是由微生物产生,对铁元素具有高亲和性的小分子化合物。这类天然产物所展现的结构多样性引起人们对其生物合成机制的极大兴趣。目前已有研究报道的铁载体生物合成途径主要有2种,一是直接由非核糖体肽合成酶(Nonribosomal peptide synthetases,NRPSs)家族的多酶复合体负责合成,另一种是以不依赖于NRPS(NRPS-independent,NIS)的方式,由一类特殊合成酶家族参与合成。在过去的十多年中,铁载体生物合成成为天然产物生物合成研究领域的热点之一,其中几种依赖于NRPS途径合成的铁载体生物合成机制已得到充分阐明,而对NIS方式合成的铁载体研究也获得了诸多进展。作为放线菌的一类重要次级代谢产物,通过遗传学、化学等手段对放线菌所产生铁载体生物合成途径的遗传学和生物化学研究,能够为发展新的抗菌药物提供契机,同时也能加深我们对这一类生物活性物质形成机制的认识。综述近期该研究方向的进展。