聚酮类化合物生物合成的代谢工程研究进展

聚酮化合物是一类重要的具有生物活性的次级代谢物。本文讨论了以聚酮生物合成酶为核心的聚酮化合物生物合成途径,以及近年来有关代谢工程在聚酮类化合物生物合成方面的研究工作进展,主要包括将聚酮生物合成途径引入新的宿主、代谢流量分析在提高聚酮化合物中的应用及合成新的聚酮化舍物等。     

链霉菌中高效生产聚酮化合物的研究方法及进展北大核心CSCD

聚酮化合物是通过聚酮合成途径产生的一大类结构和生物活性多样的次级代谢产物,是链霉菌产生的主要次级代谢产物,具有重要的经济价值。为了在链霉菌中提高聚酮化合物产量,以满足工业生产需求,近年来,代谢工程的方法被广泛应用,例如,过表达合成途径中限速酶或途径特异性激活蛋白、强化前体供应、去除产物反馈抑制、合成基因簇异源表达等。本文将从代谢工程改造实例入手,全面综述链霉菌中聚酮化合物高效生物合成的研究方法及进展,并对利用合成生物学策略智能动态适配各个相关途径,进而提高该类化合物产量的研究思路进行展望。     

真菌聚酮化合物生物合成研究进展

具有广泛生物活性的真菌聚酮化合物因具有复杂的化学结构,其生物合成途径一般包含多样且新颖的酶催化反应。文中主要综述了2013-2016年来源于还原性聚酮合成酶(HR-PKSs)、非还原性聚酮合成酶(NR-PKSs)、聚酮-非核糖体多肽合成酶(PKS-NRPSs)和还原性-非还原性聚酮合成酶(HR-NR PKSs)杂合型等四大类型的真菌聚酮类化合物的生物合成研究进展。众多真菌聚酮类化合物生物机理的阐明,为未来新型真菌聚酮类天然产物生物合成基因簇的挖掘、新结构化合物的发现及其类似物的研究提供了方向和理论基础。     

萘醌-氧吲哚生物碱coprisidins生物合成途径的研究（英文）

【目的】新颖结构的天然萘醌-氧吲哚类生物碱coprisidins(A和B)分离自昆虫肠道相关链霉菌,具有预防癌症的活性。作为首例具有萘醌-氧吲哚骨架的生物碱,对其独特生物合成机理的研究可为Ⅱ型聚酮类化合物生物合成途径提供新的认知。【方法】本研究对coprisidins的产生菌Streptomycessp.SNU607进行全基因组测序,并根据测序结果的生物信息学分析初步定位coprisidins的生物合成基因簇;通过基因敲除以及异源表达手段确定coprisidins的生物合成基因簇;基于体内遗传学实验与生物信息学分析初步推导coprisidins的生物合成途径。【结果】Streptomyces sp. SNU607中有23个基因簇可能参与次级代谢,其中4个基因簇与聚酮合酶(PKS)相关;通过基因敲除与异源表达实验,本研究证实1个Ⅱ型PKS负责coprisidins的生物合成;基于生物信息学分析,我们推测copH/I/M/O/N构成了1个基因盒,并负责起始单元丁酰CoA的合成;KSβ(Cop B)的序列比对表明coprisidins的Ⅱ型PKS系统更倾向于合成C20的初始聚酮链。【结论】Coprisidins的萘醌-吲哚结构是由Ⅱ型PKSs催化形成,我们推测丁酰Co A是coprisidins聚酮骨架的起始单元,在最小PKS、聚酮酶、环化酶的催化下先形成类似蒽环的四环系统,随后在后修饰酶与氧化重排的作用下生成萘醌-氧吲哚骨架。本研究为进一步探究萘醌-氧吲哚类生物碱的生物合成机制奠定了基础,同时增加了Ⅱ型PKSs合成产物的结构多样性。     

抗生素AGPM生物合成途径的初步研究

采用前体添加实验法、静息细胞培养法以及酶抑制剂法对藤黄灰链霉菌中抗生素AG PM生物合成途径进行了初步探讨。研究表明能转化成聚酮合成所需活性前体的氨基酸如异亮氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、谷氨酸等以及短链脂肪酸乙酸、丙酸、丁酸盐对抗生素AGPM合成均有明显促进作用 ;另外 ,在培养基中添加脂肪酸和聚酮生物合成途径的专一性抑制剂浅蓝菌素 (2 5μg mL)或脂肪酸合成抑制剂碘乙酰胺 (0 5mmol L)时 ,菌体生长不受影响 ,而抗生素AGPM合成受到强烈抑制 ,分别为对照的 35 3 %和 2 6 2 % ;     

树莓酮生物合成途径及关键酶功能研究进展

树莓酮(raspberry ketone),又称覆盆子酮,其化学名称为4-对羟基苯基-2-丁酮[4-(4-hydroxyphenyl)-2-butanone],是存在于多种植物中的香气化合物。树莓酮不仅因其独特的香味被食品行业和化妆品行业应用,而且树莓酮有很好的减肥作用。由于从植物中提取树莓酮的成本非常高,而且产量少,导致市售的树莓酮价格含量极高。因此通过代谢工程的方法来合成树莓酮成为近年来研究的热点。近十几年来,国内外对于树莓酮的生物合成途径做了大量的研究。总结了近十几年来国内外对于树莓酮生物合成途径的成果,并在此基础上提出了对于树莓酮生物合成的一些见解,以期对树莓酮生物合成途径的研究有所启发。     

芳香族香料化合物生物合成研究进展

芳香族化合物在香料中占很大的比重,传统生产方式有化学合成和植物提取。化学合成依赖于石油资源,并具有环境不友好、反应条件恶劣等缺点。植物提取方法受限于植物资源,且占用耕地。近年来,随着代谢工程和合成生物学技术的发展,利用可再生原料,微生物合成芳香族香料化合物成为一种新的生产方式。文中介绍了大肠杆菌和酵母菌等模式微生物合成芳香族香料的研究进展,包括利用莽草酸途径合成香兰素等,聚酮途径合成覆盆子酮等。综述重点介绍了生物合成途径解析、人工合成途径创建及代谢调控等,为微生物发酵法生产芳香族香料化合物提供参考。     

白色链霉菌DSM 41398中洋橄榄菌素和放线吡喃酮的发现及其生物合成途径分析

【目的】从菌株Streptomyces albus DSM 41398的发酵产物中发掘结构多样的由I型聚酮合酶催化形成的化合物,以期找到具有新颖结构或强生物活性的化合物。在结构鉴定的基础上,对其生物合成途径进行分析。【方法】利用HPLC分析方法,通过系统比较野生型菌株S.albus DSM 41398与I型聚酮合酶编码基因簇失活突变株的发酵产物差异,实现目标化合物的定向分离。然后,利用~1H-和~(13)C-NMR以及HR-ESI-MS进行化合物的结构鉴定。最后,利用生物信息学等方法对化合物的生物合成途径进行推测和分析。【结果】从5 L的S.albus DSM 41398发酵产物中,分离得到了2个具有抗肿瘤活性的聚酮类化合物放线吡喃酮和洋橄榄菌素,分别定位了它们的生物合成基因簇,并分别对其生物合成途径进行了推导。其中,放线吡喃酮的生物合成基因簇为首次报道。【结论】本研究一方面为基因组发掘S.albus DSM 41398中其他由I型聚酮合酶催化形成的化合物提供参考,另一方面也为相关化合物的结构修饰改造奠定了良好的基础。     

大肠杆菌利用葡萄糖和木糖合成乙醇酸、乳酸和3-羟基丁酸共聚酯

以大肠杆菌为宿主,构建了以葡萄糖和木糖为底物获得乙醇酸、乳酸和3-羟基丁酸共聚酯的生物合成途径,包括过表达塔格糖-3-差向异构酶、核酮糖激酶、醛缩酶、醛脱氢酶、丙酰辅酶A转移酶、β-酮硫解酶、乙酰乙酰辅酶A还原酶和聚合酶等。在此基础上,表达聚羟基脂肪酸酯颗粒结合蛋白,提高了聚合物的合成,重组菌的细胞干重达到3.73g/L,含有38.72wt%的共聚酯。采用混菌共培养策略,实现以葡萄糖和木糖混合物为底物合成共聚酯,摇瓶实验中细胞干重达到4.01g/L,含有21.54wt%的聚合物。文中提供了一种以葡萄糖和木糖混合物为碳源合成聚合物的方法,为下一步纤维素水解物的有效利用提供了参考。     

萘醌-氧吲哚生物碱coprisidins生物合成途径的研究

[目的] 新颖结构的天然萘醌-氧吲哚类生物碱coprisidins（A和B）分离自昆虫肠道相关链霉菌,具有预防癌症的活性。作为首例具有萘醌-氧吲哚骨架的生物碱,对其独特生物合成机理的研究可为II型聚酮类化合物生物合成途径提供新的认知。[方法] 本研究对coprisidins的产生菌Streptomyces sp.SNU607进行全基因组测序,并根据测序结果的生物信息学分析初步定位coprisidins的生物合成基因簇;通过基因敲除以及异源表达手段确定coprisidins的生物合成基因簇;基于体内遗传学实验与生物信息学分析初步推导coprisidins的生物合成途径。[结果] Streptomyces sp.SNU607中有23个基因簇可能参与次级代谢,其中4个基因簇与聚酮合酶（PKS）相关;通过基因敲除与异源表达实验,本研究证实1个II型PKS负责coprisidins的生物合成;基于生物信息学分析,我们推测copH/I/M/O/N构成了1个基因盒,并负责起始单元丁酰CoA的合成;KS_β（CopB）的序列比对表明coprisidins的II型PKS系统更倾向于合成C20的初始聚酮链。[结论] Coprisidins的萘醌-吲哚结构是由II型PKSs催化形成,我们推测丁酰CoA是coprisidins聚酮骨架的起始单元,在最小PKS、聚酮酶、环化酶的催化下先形成类似蒽环的四环系统,随后在后修饰酶与氧化重排的作用下生成萘醌-氧吲哚骨架。本研究为进一步探究萘醌-氧吲哚类生物碱的生物合成机制奠定了基础,同时增加了II型PKSs合成产物的结构多样性。     

真菌苯二酚内酯聚酮类化合物生物合成研究进展

真菌苯二酚内酯类聚酮化合物具有抗癌和调节免疫系统等重要的生物活性,其生物合成是近年来的研究热点。介绍了苯二酚内酯的双聚酮合酶协作合成机制和组合生物合成,并以几种真菌苯二酚内酯生物合成途径为例,综述了相关的研究进展,以期为研究者提供参考。     

中链化学品微生物制造

中链脂肪酸（C₆-C₁₂）衍生的化学品包括脂肪醇、脂肪烃、中链酯、ω-修饰脂肪酸等,这些化合物是生物燃料、聚合物、日用化学品、特种化学品的重要组分。天然微生物底盘不能合成中链脂肪酸,而通过操纵脂肪酸合成、逆β-氧化等碳链延伸途径,尤其是表达生成游离中链脂肪酸的硫酯酶,可使大肠埃希菌、酿酒酵母等微生物细胞合成超过1 g/L的中链脂肪酸。引入脂肪酸衍生反应,如羧基还原、脱羧、ω-氧化等,可合成许多中链化学品。本文综述了中链化学品合成的酶学基础以及代谢工程策略,为中链化学品高效生物制造提供参考和思路。     

异源生物合成聚酮化合物的研究进展

聚酮是一大类具有重要生物活性的天然产物,其生物合成途径复杂多样。利用异源宿主合成聚酮化合物要比使用天然生产菌有很多优点。异源宿主的选择是异源生物合成聚酮的关键。这种宿主必须能够大量表达大分子聚酮合成酶(300 kDa或更大)且能够大规模的转译后修饰这些蛋白;还要能够形成大量的像丙二酰CoA、甲基丙二酰CoA等细胞内起始单元。随着各种技术的不断进步,异源宿主很可能成为大规模生产聚酮化合物的一个强有力平台。本文对聚酮合成酶,异源生产聚酮的优点、条件和应用都有所阐述。     

细菌通过聚酮合成酶途径合成多不饱和脂肪酸的研究进展

细菌利用聚酮合成酶途径合成多不饱和脂肪酸是近年发现的新的脂肪酸合成途径。这种途径与常规的由脂肪酸去饱和酶和脂肪酸延长酶引导的脂肪酸合成途径有着本质上的差别。总结了近些年细菌利用聚酮合成酶合成多不饱和脂肪酸这一新途径的研究状况,重点阐明其分子机制,并对其研究趋势及应用前景进行了展望。     

植物类萜生物合成途径及关键酶的研究进展

萜类化合物是植物中广泛存在的一类代谢产物,在植物的生长、发育过程中起着重要的作用。植物中的萜类化合物有两条合成途径:甲羟戊酸途径和5-磷酸脱氧木酮糖/2C-甲基4-磷酸-4D-赤藓糖醇途径。这两条途径中都存在一系列调控萜类化合物生成、结构和功能各异的酶,其中关键酶的作用决定了下游萜类化合物的产量。植物类萜生物合成途径的调控以及该途径中关键酶的研究已成为目前国内外生物学领域的一大热点。综述了植物类萜生物合成途径和参与该途径的关键酶及其基因工程的研究进展,并展望了其应用前景。     

植物脂肪酸β-氧化的研究进展

脂肪酸的分解代谢在多数有机体中主要通过β-氧化循环进行,在哺乳动物中β-氧化作用发生在线粒体和过氧化物酶体中,而植物和多数真菌类的β-氧化作用只发生在过氧化物酶体中。植物界的过氧化物酶体β-氧化作用不仅存在于脂肪酸的分解代谢和脂质代谢中,也存在于植物激素和氨基酸的代谢中。近来对模式生物的研究发现,过氧化物酶体β-氧化途径在植物信号系统和发育,尤其是茉莉酸的生物合成中起着重要作用。简要介绍了β-氧化途径在脂肪酸分解代谢、植物信号系统和发育中的作用的研究进展。     

生物合成聚3-羟基丙酸酯的研究进展

聚3-羟基丙酸酯(P3HP)作为聚羟基脂肪酸酯家族(PHAs)中的新型热塑性塑料,具有生物降解性和生物相容性等优点。目前,未见野生微生物可以合成P3HP的报道,生产途径主要为化学法和生物法。其中,通过化学法或添加3-HP单体及其结构类似物作为前体的P3HP合成效率低、成本高且不具环保性;而通过构建和改造工程菌的生物代谢途径,能够利用廉价、可再生的碳源,已经逐渐成为研究热点。文中综述了国内外P3HP生物合成研究进展,并对甘油途径、丙二酸单酰辅酶A(Malonyl-Co A)途径和β-丙氨酸途径等合成方法进行了优缺点分析,为生物合成P3HP的深入研究奠定理论基础。     

基于藜麦转录组的脂肪酸生物合成途径解析

藜麦营养丰富,油脂含量高,脂肪酸组成理想,是油脂提取物的潜在资源。植物油脂主要以三酰甘油的形式储存在作物种子和果实等器官中,其合成受到环境和基因水平的调控,涉及质体、内质网和油体等多个细胞器。该文基于藜麦转录组数据,对藜麦油脂合成相关的脂肪酸生物合成途径基因进行挖掘,并对基因表达模式进行分析。结果表明:在藜麦中,与脂肪酸生物合成相关的基因序列共87条,涉及乙酰CoA羧化酶和β-酮脂酰ACP合成酶等关键酶,其中编码长链酰基辅酶A合成酶基因和β-酮脂酰ACP还原酶数目最多。通过基因表达模式分析发现,与脂肪酸生物合成相关的基因在种子表达中呈现整体上调模式,可能与种子中油脂形成和积累密切相关。对藜麦乙酰CoA羧化酶亚基编码基因进行分析发现,accD基因在不同组织间无差异表达,表明在藜麦中accD编码的β-CT亚基可能不是影响乙酰CoA羧化酶发挥作用的限制因子。藜麦KASⅡ含有保守结构域,与其他组织相比,编码基因QcFb15、QcFb45和QcFb75在种子中均存在上调表达,参与藜麦脂肪酸碳链延伸及油脂形成。对藜麦脂肪酸生物合成途径相关基因的挖掘,为藜麦油脂合成和积累的研究提供了理论基础,对高油脂藜麦品种选育等后续研究也具有重要启示作用。     

酮基合酶AlpRQ影响醌那霉素的产量

【背景】角蒽环类聚酮化合物醌那霉素生物合成基因簇包含了两套酮基合酶(KSα和KSβ)的编码基因,即alpA,alp B和alpR,alpQ,AlpA和AlpB被证明是醌那霉素合成过程中必需的酮基合酶,而AlpR和AlpQ则被认为与别的化合物的合成相关。【目的】鉴于alpR和alpQ和必需基因alpS在醌那霉素合成基因簇上紧密相邻,本研究旨在确定它们与醌那霉素生物合成的相关性。【方法】PCR-targeting在细菌人工染色体(BAC)文库质粒上进行多基因敲除,构建好的文库质粒再导入通用宿主Streptomyces albus J1074中进行异源表达,并用高效液相色谱(HPLC)检测突变株和野生型菌株的发酵产物。【结果】AlpR和AlpQ对醌那霉素的合成没有直接影响,但是敲除AlpRQ突变株的发酵液中醌那霉素的产量显著提高了。【结论】AlpR和AlpQ很有可能是另一Ⅱ型聚酮化合物的KS_α和KS_β,它们与AlpA和AlpB竞争共同的合成前体。本研究还证明了AlpR和AlpQ并不能替代AlpA和AlpB的功能。     

萜类生物合成的基因操作

萜类是一组结构迥异的化合物家族,其中很多具有较大的应用价值,如青蒿素和紫杉醇等,它们在多种微生物和植物中合成,但其天然产量低。萜类代谢工程通过DNA重组技术改造萜类合成细胞中的代谢途径,以提高萜类最终产量或在不含萜类的生物中合成萜类,为促进有用萜类合成提供了新的机会。以萜类化合物生物合成途径的基因转移与表达为切入点,综述了目前在微生物及植物中应用代谢工程提高萜类产量的研究进展。