CRISPR/Cas9在放线菌合成生物学研究中的应用和发展

放线菌是活性天然产物和抗生素药物的重要来源。利用合成生物学高效地开发其中丰富的天然产物资源,将为加速新药开发奠定坚实的基础。CRISPR/Cas9作为一种多功能基因编辑系统,因其便捷高效而被广泛应用于真核生物的遗传操作。但在原核生物尤其是放线菌中的应用仍处于起步阶段,机遇和挑战并存。本综述总结了目前CRISPR/Cas9系统在放线菌基因编辑和调控,以及活性天然产物的产量提升、生物合成机制解析和资源开发等方面的研究进展。同时,也对该系统在应用中面临的包括重组修复效率低,以及靶向切割效率不足等关键挑战进行了分析,并提出了相应的优化解决方法。随着CRISPR/Cas9在放线菌应用中的不断完善和发展,将极大地推动放线菌的合成生物学研究,促进其中天然产物资源的有效挖掘和应用开发。     

气囊在细菌中的生理功能、生物合成及应用研究进展

气囊是在水生细菌中广泛存在的一种具有刚性中空蛋白结构的特殊细胞器,不仅为水生细菌提供浮力,还对其在不利环境或应激条件下的生存至关重要。近期研究发现在其他非水生细菌如沙雷氏菌和链霉菌中也存在气囊结构,而且表现出不同的生理功能。来源于不同种属细菌的气囊生物合成基因簇具有各自鲜明的特征,其生物合成和调控机制也有所不同。本综述将介绍和总结不同细菌中气囊的基本生理功能和生物合成及调控机制,以及气囊的生物技术应用,并对气囊在链霉菌中的生物合成研究以及人工重组气囊的潜在应用进行展望。     

途径特异性调控因子介导的链霉菌来源天然产物的产量提升

链霉菌是活性天然产物的重要来源。基因组学研究揭示了链霉菌有巨大的生物合成潜力,平均每株菌拥有20–40个生物合成基因簇。在常规的实验室条件下,大多数链霉菌来源的天然产物产量较低,影响了对其进一步研究和产业化开发。由于链霉菌中天然产物的生物合成受到严格的调控,对于这些调控因子和调控网络的深入研究将有力地促进链霉菌来源的天然产物的发现和开发利用。文中主要综述了近5年来链霉菌来源天然产物生物合成中途径特异性调控因子的研究进展,重点介绍其在提高相应天然产物产量中的应用。     

细菌源吡咯里西啶类生物碱的发现及生物合成研究进展

吡咯里西啶类生物碱(Pyrrolizidine Alkaloids,PAs)在高等植物中分布广泛,目前超过6000种植物产生了650余个PAs。源于细菌的PAs发现较少,其中ClazamycinA和ClazamycinB由Umezawa等在1979年报道。近年来在微生物基因组和合成生物学发展的驱动下,细菌源PAs的发现和生物合成的研究方兴未艾。截至目前,已发现12类(60余个)源于细菌的PAs,包括波米西亚胺、Azetidomonamides和Brabantamides,以及含有PAs结构单元的多烯大环内酰胺Ciromicins和Heronamides。对这些结构多样、活性优异的细菌源PAs的研究发现,多数PAs依赖于一对独特的非核糖体多肽合成酶(Non-Ribosomal Peptide Synthetases,NRPSs)/拜耳-维利格单加氧酶(Bayer-Villiger Monooxygenase)生物合成其吡咯双烷基本骨架;而含有β-氨基酸的多烯大环内酰胺中吡咯双烷的形成则可能通过一个高度非对映选择性的电子重排反应途径。微生物基因组挖掘揭示了细菌中有大量沉默的PAs生物合成基因簇,说明细菌PAs在细菌进化和其环境/宿主的适应性中起着重要作用。     

链霉菌CB02959中四霉素及四烯菌素的鉴定及培养基优化

【背景】四霉素(Tetramycin)和四烯菌素(Tetrin)是具有广谱抗真菌活性的四烯大环内酯类抗生素。链霉菌CB02959是一株雷纳霉素(Leinamycin)类化合物的潜在产生菌株,利用antiSMASH分析其基因组发现该菌株含有一个纳他霉素(Natamycin)类四烯大环内酯化合物的生物合成基因簇。【目的】对Streptomyces sp. CB02959中次级代谢产物进行研究,确定其是否可以产生四烯大环内酯化合物,对其发酵产物进行分离和结构鉴定,并进行初步的发酵优化以提高产量。【方法】基于生物信息学预测和高分辨质谱数据,推测CB02959中多烯化合物的结构;在不同发酵培养基中培养CB02959,确定适合大规模发酵的培养基;敲除tetrA基因以确定目标基因簇和四烯大环内酯化合物产生的相关性;分离和鉴定CB02959产生的主要代谢物的结构;通过改变培养基中葡萄糖、麦芽提取物和胰蛋白胨的含量,提高四烯大环内酯化合物的产量。【结果】通过对CB02959中纳他霉素类化合物生物合成基因簇的分析及16S rRNA基因序列的进化树分析,推测CB02959可能是一株新的四霉素和四烯菌素产生菌;在YEME发酵培养基中对CB02959进行大规模发酵,分离得到4个化合物,鉴定为四霉素A (1)、四霉素B (2)、四烯菌素A (3)、四烯菌素B (4);最后通过培养基的初步优化,将化合物1–4的产量分别提高至208.1、100.0、1 315.6、109.9 mg/L。【结论】通过基因组挖掘策略发现了一株新的四霉素和四烯菌素产生菌链霉菌CB02959,并通过培养基优化提升了其四烯大环内酯化合物的产量,此发现为这类抗真菌天然产物的后续开发奠定了基础。     

信号分子在链霉菌天然产物发现和开发中的应用研究进展

链霉菌具有巨大的合成次级代谢产物的潜力,但在实验室常规培养条件下链霉菌中大部分生物合成基因簇是沉默的,或者表达量极低。链霉菌中信号分子可调节形态分化和代谢产物的生物合成。通过对编码这些信号分子合成酶或受体的基因进行操作,或在发酵液中添加信号分子,可以激活链霉菌中的沉默生物合成基因簇,发现新的天然产物,或者提升已发现的天然产物产量。本文以γ-丁内酯和γ-丁烯内酯两类信号分子为例总结了过去十余年中信号分子在链霉菌天然产物发现和产量提升中的应用,以期为微生物天然产物的开发提供借鉴。     

新型angucycline/angucyclinone类天然产物的研究进展 (2010–2020)

Angucycline/angucyclinone类天然产物是Ⅱ型聚酮类化合物中一个庞大的家族,其产生菌广泛存在于自然界中。由于这类化合物具有丰富的生物活性和独特的化学结构,吸引了众多科学家的浓厚兴趣。随着合成生物学的发展和特殊环境来源放线菌资源的开发,不断有新骨架的angucycline/angucyclinone类天然产物被发现,极大地丰富了这一家族天然产物的结构多样性。本文对2010–2020年期间,利用改变培养条件、基因改造、基因组挖掘、活性导向、特殊环境来源放线菌培养等不同策略从放线菌中所发现的新型angucycline/angucyclinone类化合物进行综述,并对合成生物学方法在这类化合物的发现和开发中的作用进行了讨论。     

后基因组时代基因组重排在微生物菌种选育中的应用及展望

基因组重排作为一种实用高效的育种技术,在缺乏遗传背景认知和可操作遗传体系等条件下,可以突破微生物种属间的限制,经过多轮递推的原生质体融合来加速其人工定向进化,在微生物菌种改良及代谢产物开发和产业化等研究领域得到了广泛应用。步入后基因组时代,快速发展的组学和生物信息学使基因组重排成为连接各种微生物育种方法的重要纽带,为我们深入探索微生物复杂的代谢网络和全局调控机制,更为精准地实施对微生物的人工调控和定向进化提供了契机。本文系统性地回顾了近年来基因组重排在微生物菌种选育中的应用研究,尤其针对围绕其开展的组学研究进行了详细阐述,并对基因组重排与组学、生物信息学和合成生物学等新兴技术的联合应用进行了展望。