近日，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境與島礁生態(tài)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣東省海洋藥物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研人員在鏈霉菌天然產(chǎn)物沉默基因簇的激活方法開發(fā)中取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Development of A Salt-Enhanced Promoter Strategy for Activating Silent Biosynthetic Gene Clusters from Streptomycetes”為題發(fā)表在代謝工程領(lǐng)域著名期刊Metabolic Engineering（代謝工程）。中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所博士王利娟、博士朱夢(mèng)奕和副研究員楊春芳為本文共同第一作者，研究員張長(zhǎng)生為本文通訊作者。
鏈霉菌天然產(chǎn)物是藥物研發(fā)的重要資源。近年來，隨著測(cè)序成本的降低和生物信息學(xué)工具的普及，大量未知天然產(chǎn)物的生物合成基因簇序列被解析公布，亟待深入挖掘。然而，當(dāng)前基因組挖掘面臨兩大核心挑戰(zhàn)：一是鏈霉菌生物合成基因簇在實(shí)驗(yàn)室條件下大多數(shù)呈沉默或低表達(dá)狀態(tài)，其產(chǎn)物豐度極低；二是部分野生型鏈霉菌無法進(jìn)行遺傳操作，導(dǎo)致其天然產(chǎn)物生物合成途徑挖掘受限。
針對(duì)鏈霉菌基因組挖掘中的上述瓶頸問題，研究團(tuán)隊(duì)近期開發(fā)了一種基于鹽響應(yīng)啟動(dòng)子的新型挖掘策略。該策略可有效激活鏈霉菌天然產(chǎn)物沉默基因簇，并成功應(yīng)用于三種活性天然產(chǎn)物的激活與高產(chǎn)。研究團(tuán)隊(duì)在對(duì)南海來源的、含有豐富天然產(chǎn)物生物合成基因簇但無法進(jìn)行遺傳操作的鏈霉菌開展基因組挖掘的過程中，采用“異源表達(dá)-細(xì)菌人工染色體-啟動(dòng)子工程”的協(xié)同策略對(duì)兩個(gè)沉默的大型天然產(chǎn)物生物合成基因簇進(jìn)行激活。意外發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)基添加鈉鹽或鉀鹽，尤其是添加1% KCl，能夠顯著增強(qiáng)廣泛使用的組成型啟動(dòng)子kasOp*的強(qiáng)度，進(jìn)而高效激活其下游基因簇的表達(dá)并大幅提高目標(biāo)天然產(chǎn)物的產(chǎn)量（圖1）。
圖1?采用kasOp*-KCl協(xié)同策略激活海洋鏈霉菌中沉默天然產(chǎn)物生物合成基因簇
研究人員首次發(fā)現(xiàn)了行業(yè)通用的組成型啟動(dòng)子kasOp*的鹽響應(yīng)特性，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)kasOp*-KCl策略對(duì)不同培養(yǎng)基、不同基因簇及常見鏈霉菌異源表達(dá)宿主均具有普適性。采用這種策略使coprisamide（聚酮-聚肽雜合環(huán)肽）、padanamide（非核糖體多肽） 和 SF2768 （異腈酯肽）這三種活性天然產(chǎn)物的產(chǎn)量均達(dá)到目前報(bào)道的最高水平（圖2）。這一發(fā)現(xiàn)凸顯了這種基于遺傳元件鹽響應(yīng)特性的便捷基因組挖掘方法，在激活鏈霉菌沉默產(chǎn)物生物合成及增強(qiáng)其產(chǎn)量方面的潛在實(shí)用價(jià)值，為鏈霉菌沉默基因簇的挖掘及天然產(chǎn)物增產(chǎn)研究提供了全新工具。
圖2?KasOp*-KCl策略對(duì)不同天然產(chǎn)物、不同培養(yǎng)基和不同宿主的普適性評(píng)估
以上研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“合成生物學(xué)”重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目、南沙區(qū)重點(diǎn)科技計(jì)劃項(xiàng)目和海南省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
論文信息：Lijuan Wang#,Mengyi Zhu#,Chunfang Yang#,Siqi Zhu,Bin Tan,Shu-Hua Qi,Yiguang Zhu,and Changsheng Zhang*. Development of A Salt-Enhanced Promoter Strategy for Activating Silent Biosynthetic Gene Clusters from Streptomycetes. Metabolic Engineering,2025,92:51-62.?
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ymben.2025.07.007?????
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