海洋微生物来源粉蝶霉素类药源分子挖掘研究获进展
海洋微生物来源粉蝶霉素类药源分子挖掘研究获进展
近日，中国科学院南海海洋研究所研究员刘永宏/周雪峰团队与南方医科大学教授唐斓团队合作，在海洋微生物来源粉蝶霉素类药源分子挖掘研究方面取得重要进展。他们通过大片段基因敲除策略，显著提高了海洋微生物中粉蝶霉素类药源分子的发酵产量，拓展了其化学结构多样性，并系统评价了相关药源分子的活性、构效关系及作用机制。相关成果发表于《农业与食品化学杂志》。
基因组挖掘下的粉蝶霉素类海洋药源分子发现。研究团队供图
海洋微生物在独特的生态环境下能够产生结构新颖、活性多样的代谢产物，是创新药物与农用化学品研发的重要源泉。粉蝶霉素是一类主要由链霉菌产生的天然产物，具有多烯侧链和α-吡啶酮核心结构，表现出良好的药用活性。团队前期已从海洋链霉菌中筛选发现了一系列具有抗菌、抗肿瘤和抗肾病活性的粉蝶霉素类药物先导化合物，其中多项专利已实现成果转让。
为进一步挖掘粉蝶霉素类药源分子，研究团队对海洋药源菌株——链霉菌 Streptomyces psammoticus SCSIO NS126进行了全基因组测序，精准定位了粉蝶霉素生物合成基因簇。在此基础上，利用同源重组技术，对基因簇内的后修饰基因实施了分段大片段敲除，阻断了与主产物竞争底物的代谢支路，使代谢流更多地汇聚于粉蝶霉素的合成与积累。通过该策略，团队成功构建了11株突变株，粉蝶霉素总产率较野生型最高提升7.1倍，同时使部分在野生型中无法检测到的微量成分在突变株中得以大量积累。其中，通过对高产突变株进行大规模发酵，研究人员共分离鉴定出21个粉蝶霉素类化合物，包括4个新化合物（1个新苷元、2个新糖苷和1个新型类似物）。
活性评价与机制研究表明，所得化合物具有广谱的抗细菌和抗真菌活性。例如，化合物4和5分别对金黄色葡萄球菌和茄链格孢菌表现出强效抑制；其活性与选择性主要受甲基化、羟基化及糖基化等结构修饰因素影响。机制研究显示，该类化合物主要通过破坏病原微生物的细胞膜完整性及外部结构来抑制其生长。此外，活体实验证实，化合物19在番茄感染模型中具有显著的剂量依赖性抑菌效果，充分展现了粉蝶霉素类药源分子作为新型绿色农用抗生素候选物的应用潜力。
该研究利用基因敲除策略有效丰富了海洋来源粉蝶霉素类药源分子的结构多样性并大幅提升了产量，不仅为开发新型农业抗生素提供了先导分子，也为粉蝶霉素类药源分子的工程菌株构建及规模化生产提供了重要科学依据。
相关论文信息：https://doi.org/10.1d021/acs.jafc.6c08189