微生物具有合成多种天然产物的能力，是人类进行药物开发的宝库。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”。有效激活并挖掘这些“生命暗物质”，有望突破发现新天然产物的瓶颈。
中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所（以下简称深圳先进院合成所）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，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，可以显著提高链霉菌的天然产物产量，产生具有药物潜力的新化合物。这对开发新型抗生素、提高天然产物产量具有重要意义。相关论文近日发表于《自然-代谢》。
“这项成果不仅激发了我们对重启微生物天然产物‘生命暗物质’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。
提出“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，从而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说。
如果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，进而揭秘微生物代谢“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，改造菌株生长和发酵的时间长，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、生活环境或代谢物质等进行调控。另一方面，大量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天然产物的产量。
为此，罗小舟团队花了将近4年时间，利用泛基因组分析技术系统分析整个链霉菌属的基因组，绕过对放线菌单个菌株的研究，聚焦其种群规律，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。
“这一方法节省了传统基于机理的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。”罗小舟说。
找到提高产量的关键途径
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，其中发现，由辅酶吡咯喹啉醌（pqq）合成的基因簇在链霉菌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教授白林泉、华中科技大学教授孙宇辉合作，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，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，有望应用于菌剂、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，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，为开发新型抗生素等药物提供了重要线索。”罗小舟说。
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，我们将深入探讨各个基因对天然产物增产和激活的机理，以及它们和抗生素的联系。”罗小舟介绍，团队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://doi.org/10.1038/s42255-024-01024-9
（原载于《中国科学报》 2024-04-18 第1版 要闻）
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