“喚醒”沉默的基因:科學(xué)家開(kāi)發(fā)揭秘微生物“生命暗物質(zhì)”的新方法
微生物具有合成多種天然產(chǎn)物的能力,成為人類(lèi)藥物開(kāi)發(fā)的寶庫(kù)。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)”。如何有效激活并挖掘這些“生命暗物質(zhì)”,是限制新天然產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)的瓶頸。
隨著基因測(cè)序技術(shù)的普及和基因組分析方法的成熟,人們有望繞過(guò)繁冗的改造工序,突破菌株個(gè)體的差異性,為揭示天然產(chǎn)物合成的普適規(guī)律和開(kāi)發(fā)改造工具提供思路。?
4月12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)研究所研究員羅小舟、美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校教授Jay D.Keasling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在《自然—代謝》發(fā)表最新研究成果。

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文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s42255-024-01024-9
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,并發(fā)現(xiàn)一個(gè)關(guān)鍵途徑,可以顯著提升鏈霉菌的天然產(chǎn)物產(chǎn)量,產(chǎn)生具有藥物潛力的新化合物,對(duì)開(kāi)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。
“這項(xiàng)成果不僅激發(fā)了我們對(duì)重啟微生物天然產(chǎn)物‘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(yīng)用提供了新的策略。”中國(guó)科學(xué)院院士、微生物代謝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任鄧子新評(píng)價(jià)道。
該研究中,深圳先進(jìn)院合成所助理研究員王欣然、研究助理陳寧辛,丹麥技術(shù)大學(xué)研究員Pablo Cruz-Morales 為文章共同第一作者。羅小舟、Jay D.Keasling、唐嘯宇為文章共同通訊作者。深圳先進(jìn)院為該文章第一單位。
建立“細(xì)胞工廠”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(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,以基因簇的形式生產(chǎn)各種生物活性物質(zhì),來(lái)抵抗外敵和抑制競(jìng)爭(zhēng)者。相比于其他微生物,鏈霉菌中的次級(jí)代謝基因簇更多,不同菌株間的能力差異也很大?!闭撐墓餐谝蛔髡摺⑸钲谙冗M(jìn)院合成所助理研究員王欣然解釋道。
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(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,有望揭秘微生物代謝“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,改造菌株的生長(zhǎng)和發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng),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(duì)單個(gè)菌株的遺傳物質(zhì)、生活環(huán)境、或者代謝物質(zhì)等進(jìn)行調(diào)控;另一方面,大量的基因組分析需要專(zhuān)業(yè)人員開(kāi)發(fā)相應(yīng)的算法,試錯(cuò)成本高,鮮有通用策略來(lái)提高不同的天然產(chǎn)物的產(chǎn)量。
對(duì)此,羅小舟團(tuán)隊(duì)花了將近4年的時(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(guò)了對(duì)放線(xiàn)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(xiàn)菌菌株的公共操作平臺(tái),通過(guò)“自下而上”的方式開(kāi)發(fā)了普適性的改造方法。
“這一方法繞過(guò)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(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?!闭撐墓餐ㄓ嵶髡摺⑸钲谙冗M(jìn)院合成所研究員羅小舟表示。
找到提升產(chǎn)量的關(guān)鍵途徑
在該研究中,研究團(tuán)隊(duì)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,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(guò)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(xiàn)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(kāi)發(fā)提供了重要線(xiàn)索?!绷_小舟說(shuō)道。
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(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(lái),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,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(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(yīng)用。
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