产量提升！新方法揭秘微生物“生命暗物质”

微生物具有合成多种天然产物的能力，成为人类药物开发的宝库。但在微生物合成天然产物时，大量合成基因仍处于“沉默”状态，它们的产物被称为微生物“生命暗物质”。如何有效激活并挖掘这些“生命暗物质”，是限制新天然产物发现的瓶颈。

随着基因测序技术的普及和基因组分析方法的成熟，人们有望绕过繁冗的改造工序，突破菌株个体的差异性，为揭示天然产物合成的普适规律和开发改造工具提供思路。 

4月12日，中国科学院深圳先进院合成生物学研究所研究员罗小舟、美国加州大学伯克利分校教授Jay D.Keasling及深圳湾实验室化学生物学研究所研究员唐啸宇在《自然—代谢》发表最新研究成果。

研究团队利用泛基因组分析技术，在链霉菌属中鉴定了597个基因，并发现一个关键途径，可以显著提升链霉菌的天然产物产量，产生具有药物潜力的新化合物，对开发新型抗生素以及提高天然产物产量具有重要意义。

“这项成果不仅激发了我们对重启微生物天然产物‘暗物质’生物合成的共同兴趣，也为合成生物学在药物研发等领域的应用提供了新的策略。”中国科学院院士、微生物代谢国家重点实验室主任邓子新评价道。

建立“细胞工厂”产量新策略

放线菌是生产抗生素的主要微生物之一，而链霉菌是放线菌门类中最典型的一类，它是已知的天然产物生物合成基因簇最丰富的微生物之一，被称为“细胞工厂”。

“为了在自然环境中生存，链霉菌可以进化出大量次级代谢基因，以基因簇的形式生产各种生物活性物质，来抵抗外敌和抑制竞争者。相比于其他微生物，链霉菌中的次级代谢基因簇更多，不同菌株间的能力差异也很大。”论文共同第一作者、深圳先进院合成所助理研究员王欣然解释道。

如果能找到产生生物活性物质能力有差异的链霉菌菌株，并研究哪些基因可能与活性物质的高产共同进化，就有望开发出改造链霉菌促进产物合成、激活沉默基因簇的新方法，有望揭秘微生物代谢“生命暗物质”。

与大肠杆菌、酵母等微生物相比，放线菌的遗传改造技术并不成熟，一方面，改造菌株的生长和发酵时间长，且菌株个体具有不均一性，目前，该领域的研究主要集中在对单个菌株的遗传物质、生活环境、或者代谢物质等进行调控；另一方面，大量的基因组分析需要专业人员开发相应的算法，试错成本高，鲜有通用策略来提高不同的天然产物的产量。

对此，罗小舟团队花了将近4年的时间，利用泛基因组分析技术系统分析整个链霉菌属的基因组，跳过了对放线菌单个菌株的研究，聚焦种群规律，建立了囊括20余种不同放线菌菌株的公共操作平台，通过“自下而上”的方式开发了普适性的改造方法。

“这一方法绕过了传统基于机理研究所耗费的时间与人力成本，为开发适用于多种植物和微生物的天然产物生产改造技术提供了新思路，并加快了揭示天然产物合成未知领域的进程。”论文共同通讯作者、深圳先进院合成所研究员罗小舟表示。

找到提升产量的关键途径

在该研究中，研究团队通过泛基因组分析技术，鉴定了与聚酮化合物基因簇共同进化的597个基因，并发现其中由辅酶吡咯喹啉醌（PQQ）合成的基因簇是链霉菌在合成天然产物过程中发挥了关键作用。

研究团队与上海交通大学白林泉教授和华中科技大学孙宇辉教授合作，在链霉菌菌株和工业放线菌菌株中引入PQQ生物合成途径后，研究发现至少有16385种代谢产物的产量显著提高，其中包括庆大霉素、安丝菌素在内的36种已知天然产物，有望运用于菌剂、抗真菌剂和抗癌剂等。

值得注意的是，研究团队还观察到新的代谢产物产生，其中一些甚至具有潜在的抗生素活性和临床感染菌株活性。“这证实了，引入这一新途径使得链霉菌中一些沉默的基因簇被‘唤醒’，激活了链霉菌中未被发现的潜在代谢途径，为新型抗生素等药物的开发提供了重要线索。”罗小舟说道。

此外，该研究通过深入的蛋白质组和代谢组分析发现，PQQ生物合成途径的引入还增强了多种天然产物的合成效率。

“未来，我们将利用合成生物研究重大科技基础设施对链霉菌中已发现的597个共有基因进行自动化分析，随着更多基因功能的表征，深入探讨各个基因对天然产物的增产和激活机理以及和抗生素的联系。”罗小舟介绍，团队还将持续推进菌株的开发改造工作，探索链霉菌在生产抗生素和天然产物等方面的产业应用。

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s42255-024-01024-9