Nature Biotechnology：利用細胞甘油三酯存儲提高鏈霉菌中聚酮類化合物的效價

2019.12.10

鏈霉菌是許多生物活性聚酮的已知生產(chǎn)者，包括臨床應(yīng)用中的抗生素、免疫抑制劑、抗寄生蟲藥和抗腫瘤藥。聚酮類藥物最近的一個亮點是，2015年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予了由阿維鏈霉菌產(chǎn)生的驅(qū)蟲劑和殺蟲劑抗生素阿維菌素。數(shù)十年活躍的基礎(chǔ)研究和工業(yè)經(jīng)驗加深了對鏈霉菌生物學和聚酮生產(chǎn)的生物化學的理解。眾所周知，鏈霉菌在發(fā)酵過程中經(jīng)歷了從初級代謝向次級代謝的重大轉(zhuǎn)變:在初級代謝階段，細胞消耗外部營養(yǎng)物質(zhì)以快速生長，之后，當必需的營養(yǎng)物質(zhì)變得有限時，細胞停止活躍生長，并開始產(chǎn)生次生代謝產(chǎn)物，如聚酮。

了解碳通量從外部碳源到聚酮生物合成的動態(tài)過程對鏈霉菌的代謝工程具有重要意義。如何將降低的代謝通量轉(zhuǎn)化為大量的固定相聚酮的生物合成？除了轉(zhuǎn)錄和翻譯調(diào)節(jié)外，在鏈霉菌的代謝轉(zhuǎn)換中可能還有一些未知的細胞內(nèi)代謝物。識別和控制這些關(guān)鍵的細胞內(nèi)代謝物的途徑可能為提高效價提供一種新的策略。

2019年12月，中國科學院微生物研究所、華東理工大學、中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所、中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所、齊魯理工大學的相關(guān)研究人員在《Nature Biotechnology》上發(fā)表了題為“利用細胞甘油三酯存儲提高鏈霉菌中聚酮類化合物的效價”的研究論文，揭示了鏈霉菌中動態(tài)甘油三酯(TAG)存儲的生理作用，為提高聚酮類化合物的產(chǎn)量提供了一條新的途徑。

為了全面了解鏈霉菌在發(fā)酵過程中的代謝，以確定聚酮類化合物生物合成的關(guān)鍵細胞內(nèi)代謝物，研究人員獲得了一個完整的時間進程代謝物和一個主要的模式生物-天染色鏈霉菌的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集。通過比較野生型和高產(chǎn)菌株，研究人員發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)的TAG存儲作為細胞內(nèi)碳源，在固定期進行聚酮生物合成（圖1）。

圖1.?通過時間-過程比較代謝組鑒定聚酮生物合成的關(guān)鍵胞內(nèi)代謝物。

隨后，研究人員分析了了794種細胞內(nèi)代謝物與碳輸入（葡萄糖攝?。┲g的關(guān)系，以及整個時間過程中所需的聚酮反應(yīng)的輸出，證明了動態(tài)TAG存儲可以作為連接鏈霉菌中初級碳代謝和聚酮生物合成的橋梁（圖2）。

圖2.?連接初級碳代謝和聚酮生產(chǎn)的TAG存儲演示。

更重要的是，研究人員發(fā)現(xiàn)了碳通量在固定階段被重定向到聚酮生物合成的機制:由TAG降解產(chǎn)生的還原當量抑制了TCA循環(huán)酶的活性，從而降低了進入TCA循環(huán)的代謝通量，增加了向聚酮生產(chǎn)方向的通量（圖3）。而TAG動員過程中，SCO6196是負責TAG降解的關(guān)鍵基因（圖4）。

圖3.?TAG介導(dǎo)的代謝通量重定向機制。

圖4.?負責TAG分解代謝的SCO6196的鑒定。

受這些生物學見解的啟發(fā)，研究人員設(shè)計并實現(xiàn)了一種新的“TAG的動態(tài)降解（ddTAG）”策略，該策略選擇性地利用TAG分解代謝的時間和強度來顯著提高聚酮的產(chǎn)量（圖5）。此外，研究人員證明了這一策略在四種鏈霉菌中提高各種多酮類化合物產(chǎn)量的強大效果:放線菌紫紅素(Act)、杰多霉素B (JdB)、土霉素(Otc)和諾貝爾獎獲獎藥物阿維菌素。值得注意的是，在180-m3的工業(yè)規(guī)模發(fā)酵中，研究人員將阿維菌素B1a的產(chǎn)量從6.20 g/L提高了50%，達到9.31 g/L，這突出了該ddTAG策略的實用性。

圖5.提高聚酮效價的ddTAG策略。

營養(yǎng)缺乏時從初級代謝到次級代謝的轉(zhuǎn)變在許多微生物中普遍存在，而更好地了解在這種代謝轉(zhuǎn)換中起作用的關(guān)鍵細胞內(nèi)代謝物，將大大有助于提高商業(yè)相關(guān)次級代謝物（如抗生素）的產(chǎn)量。該研究工作大大擴展了對細胞內(nèi)動態(tài)TAG存儲的理解，并為提高鏈霉菌中聚酮類化合物的效價開辟了一條新的途徑。

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