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三团队合作解密链霉菌绿色智能制造之谜 精选

已有 4447 次阅读 2019-12-18 09:20 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流


(点击观看视频解读)


12月9日,华东理工大学生物工程学院生物反应器工程国家重点实验室主任张立新教授、中科院微生物所研究员王为善和中国农业科学院植物保护所研究员向文胜等合作,在链霉菌胞内三酰甘油(TAGs)降解机理研究中取得突破性进展,相关成果以长篇论文形式在线发表于《自然—生物技术》。


聚酮类药物是链霉菌产生的一类重要次级代谢产物,包括临床应用中的抗生素、免疫抑制剂、抗寄生虫药和抗肿瘤药,其中最为著名的是诺贝奖明星药物阿维菌素。


众所周知,链霉菌在发酵过程中经历了从初级代谢到次级代谢的重大转变,聚酮类药物的生物合成过程受到严谨的控制,只有在菌体生长进入稳定期才大量合成。


“链霉菌是工业上聚酮类药物的重要生产菌株。


然而,链霉菌在长期的进化中获得产生聚酮类药物的能力,其本意并不是成为人们理想的‘药物生产工厂’,而是为了更好的生存,特别是在逆境条件下与其它微生物竞争营养物质等资源。


通常,从生境中获得的链霉菌其聚酮类药物的产量都很低,难以满足实际使用的需求。


因此,要实现链霉菌为我所用的目标,就必须深入解析影响这些代谢产物产生的共性规律,进而在认知的基础上改造链霉菌代谢途径,获得高效链霉菌微生物细胞工厂。”论文共同第一作者李珊珊介绍。


“聚酮类药物是一类重要次级代谢产物,很多聚酮类药物在临床医药及农业领域都具有重要价值。


比如,免疫抑制剂达托霉素、抗癌药阿霉素、杀虫剂米尔贝霉素和阿维菌素等。


特别是阿维菌素,因其发现及其衍生物伊维菌素的应用,使河盲症在非洲消失,为人类的健康做出了不可替代的贡献,其发现者也因此获得了2015年的诺贝尔生理与医学奖。”李珊珊说。


然而,聚酮合成的前体是初级代谢的中间代谢物,此时浓度降低的这些中间代谢物如何满足聚酮大量合成的实际需求?


胞内代谢流从以初级代谢为主转换到次级代谢大幅上升,其中的调控开关是什么?


另外,除了直接来自初级代谢途径,是否还有其它胞内代谢途径也参与并贡献了聚酮合成?这些问题一直是困扰该领域研究的重要科学问题。


因此,解密链霉菌初级代谢通往次级代谢间的“黑匣子”地带对链霉菌的代谢工程研究具有重要意义。


李珊珊表示:“多年来,研究者通过研究链霉菌液体发酵过程,发现菌株生长进入稳定期时,培养基中的营养物质近乎消耗殆尽,而恰恰在这之后,聚酮化合物Act大量产生。


即链霉菌初级代谢与次级代谢呈现出明显的‘代谢转换’现象。”


事实上,这一“代谢转换”现象在链霉菌聚酮化合物产生过程中普遍存在,并非个例。


李珊珊说:“聚酮合成的前体主要来源于初级代谢的中间代谢物,大部分中间代谢物在聚酮大量合成阶段都处于较低水平。”


这让研究者不禁好奇:


胞内还有哪些代谢物参与并贡献了聚酮合成?


这些代谢物如何满足聚酮大量合成的需求?


如何理性控制代谢流,实现聚酮类药物在链霉菌中更高效的合成?


针对这一问题,张立新、王为善、向文胜、李珊珊等组成的交叉学科团队通过联合攻关,首次发现链霉菌胞内三酰甘油(TAGs)在衔接初级代谢和聚酮合成过程中起着关键作用:


TAGs在初级代谢阶段大量积累,当菌体生长进入稳定期开始合成聚酮时,TAGs则开始降解;胞内TAGs的降解不但能为聚酮合成提供必要的前体和还原力,还能够通过影响胞内还原力的水平,调节更多的碳流转向聚酮合成(图1b),成功解析了链霉菌胞内三酰甘油(TAGs)的降解机制。


“我们通过分析链霉菌不同生长阶段的胞内代谢物组,发现了脂代谢途径与初级代谢和聚酮合成的相关性,也进一步通过同位素示踪实验,确定,胞内TAGs确实可以为聚酮合成提供前体。”李珊珊说。


至此,研究者回答了第一个问题——胞内还有哪些代谢物参与并贡献了聚酮合成?


“进而,通过分析模拟链霉菌生境条件以及工业发酵补料条件下的同位素数据发现两个特点:一是在这两种情况下,高产菌株中 TAG均有更多的降解;二是高产菌株中的TCA循环中的代谢通量受到抑制。


这些数据意味着,高产菌株中TAGs的降解可以引起代谢流的改变,更有利于聚酮合成。”她说。


“通过一系列实验,以及定量化的代谢网络模型计算数据,我们进一步证明,TAGs的降解引起菌株中的还原力和能量水平得到提高,从而抑制TCA循环的代谢流,从而使更多的碳流流向聚酮生物合成途径。”李珊珊说。


至此,作者解析了TAG影响代谢转换的机制,回答了第2个问题——这些代谢物如何满足聚酮大量合成的需求的。

  

受这一认知规律启发,该团队设计并实现了一种新的“TAG动态降解(ddTAG)”工程策略,该策略精准动态控制内源TAGs水平适时适量提高聚酮产量,实现了若干I型聚酮类药物(阿维菌素、米尔贝霉素)和II型聚酮类药物(土霉素、杰多霉素)的链霉菌高产菌株构建。


“基于该发现,我们提出了动态控制TAGs降解提高聚酮产量的策略。


通过通过基因组数据挖掘、遗传学实验与生理生化分析实验,证实天蓝色链霉菌中的脂酰COA合酶SCO6196能够显著影响胞内TAGs降解以及聚酮产量。”


“进一步,通过动态精准控制sco6196的表达水平,在工业菌株中实现了土霉素、米尔贝霉素以及阿维菌素等聚酮药物的产量提高。


显示了该策略对于提高链霉菌聚酮产量的有效性。至此,我们也回答了前面的第三个问题——如何理性的控制代谢流,实现聚酮类药物在链霉菌中更高效的合成。”李姗姗说。

 

同时,在华东理工大学过程优化专家张嗣良教授“多尺度理论”指导下,该团队通过过程控制优化和放大,把链霉菌高产菌株的改造与生物反应器内菌体的流场生理特性密切结合,进一步提高了聚酮类抗生素的产率。


值得注意的是,在180m3的工业规模发酵中,阿维菌素B1a的产量从6.20 g/L提高了50%,达到9.31 g/L,产业化成果显著,突出了该ddTAG策略的实用性。


审稿人评价称:“这是70年来首次在代谢水平上清晰阐明链霉菌初级代谢到次级代谢的代谢转换机制并进行工程应用(This is a fascinating discovery. To my knowledge this link has never been established in the 70 years since the use of polyketides asantibiotics andother drugs began……)。”

 

合作团队的这一研究为深度揭示链霉菌中TAGs降解和聚酮类药物合成的代谢机制,进而充分利用可再生TAGs资源,实现聚酮类药物乃至其他次级代谢生物活性产物高效、绿色、智能的生物制造开辟了新思路。


“我们的工作深入解析了TAG与链霉菌聚酮合成的关系,证明了TAGs合成并非仅是简单竞争聚酮合成前体,它的降解对于调节碳代谢流在聚酮生物合成途径的分布,提高菌株产量具有重要作用。”


“就有如这幅图,链霉菌像是一条船,代谢网络就如同航线,TAGs就是船上的帆,只要能够精准调节帆的方向,船总能驶向我们的目标港口。”李珊珊比喻说。

 

同时,与张立新教授团队发现的链霉菌代谢转换机制类似,美国得克萨斯大学教授Hal Alper在《代谢工程》杂志上也发表了相关文章(DOI:10.1016/j.ymben.2019.11.006),报道了在真菌系统—解脂耶氏酵母菌中控制内源TAGs的降解,能够有效提高III型聚酮类代谢产物的产量。


再次印证TAGs的这一降解机制在微生物体内的普适性。


论文第一作者为王为善研究员、李珊珊副研究员、李子龙博士、张敬宇博士,通讯作者为张立新、王为善、向文胜。


论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41587-019-0335-4

 

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1 曾杰

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