肠道真菌：新型化学品的意外来源

诸平

The anaerobic fungus Anaeroromyces robustus growing on reed canary grass. (Vaithiyalingam Shutthanandan, PNNL/EMSL)

据美国能源部网站2021年4月28日报道，食草动物粪便中的真菌会制造出令人惊讶的复杂化合物，这是一项能源上昂贵的壮举，对他们而言太珍贵了。上述图片是生长在草芦（reed canary grass）上的厌氧真菌（Anaeroromyces robustus）。

真菌科学                   

厌氧真菌会在有氧的情况下死亡，它会栖息在草食动物的肠胃中，并帮助它们消化最后的绿色食物。在它们的进化史中，这些真菌很早就从有氧真菌中分支出来了，而有氧真菌可以像我们一样呼吸氧气。氧气是一种丰富的能源，而且由于厌氧性真菌无法利用它，因此科学家长期以来一直认为这些真菌没有能力来制造被称为天然产物的复杂化合物。然而，通过对四种厌氧真菌物种的基因组进行梳理，研究者首次揭示了这一群体出乎意料的强大：它们可以产生数十种复杂的天然产物，包括之前尚未发现的新产物。

真菌的影响

在过去，天然产物一直是抗生素的重要来源。实际上，这些厌氧性真菌可能正在使用这些化合物进行自卫。但是这些化合物也可能与真菌如何代谢植物生物质有关，这可能会告诉科学家，科学家如何更轻松地将植物转化为碳中性的生物燃料（carbon-neutral biofuels）。而且，许多天然产物都有潜力被用作聚合物和商品化学品以及直接使用的生物燃料的前体。这项工作表明，厌氧真菌可能是新化合物的新来源，有助于增强生物经济（bioeconomy）。

概述

由加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校（University of California (UC), Santa Barbara）化学工程师Michelle O'Malley带领的研究小组，在采集中收集了圣巴巴拉动物园（Santa Barbara Zoo）一只山羊和一只绵羊以及马萨诸塞州一匹马的粪便，用于厌氧真菌研究。通过在反刍动物的液体中生长无氧的提取物（气味很糟），它们能够分离出四种菌株：Anaeromyces robustus， Caecomyces churrovis，Neocallimastix californiae以及Piromyces finnis。在2017年报告的工作中，真菌基因组由美国能源部（DOE）联合基因组研究所（Joint Genome Institute简称JGI）进行了测序，该研究所位于伯克利实验室（Berkeley Lab）的DOE科学用户设施办公室（DOE Office of Science User Facility）。最近，Michelle O'Malley的团队开始了解真菌在消化草食动物肠道中的植物材料中所起的巨大作用（ begun to understand the outsized role the fungi play）。

最近发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上的一篇文章对这种真菌的基因组进行了更深入的研究，并进行了后续实验，结果显示，这种真菌还能产生许多天然产物。相关论文详见：Candice L. Swift, Katherine B. Louie, Benjamin P. Bowen, Heather M. Olson, Samuel O. Purvine, Asaf Salamov, Stephen J. Mondo, Kevin V. Solomon, Aaron T. Wright, Trent R. Northen, Igor V. Grigoriev, Nancy P. Keller, Michelle A. O’Malley. Anaerobic gut fungi are an untapped reservoir of natural products. Proceedings of the National Academy of Sciences, Published April 27, 2021. 118(18): e2019855118; DOI: 10.1073/pnas.2019855118. https://www.pnas.org/content/118/18/e2019855118

参与此项研究的除了美国加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校（University of California (UC), Santa Barbara）的研究人员之外，还有来自劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）、太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory）、科罗拉多州立大学（Colorado State University）、普渡大学（Purdue University）、联合生物能源研究所（Joint BioEnergy Institute）、加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）以及美国威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin–Madison）的研究人员。

在实验室中，Michelle A. O’Malley和她的团队（尤其是第一作者Candice L. Swift）验证了真菌表达的生物合成基因簇（biosynthetic gene clusters）是天然产物的“基础”。研究小组随后确认这些表达的基因已翻译成预期的蛋白质。这项工作是与美国能源部科学用户设施办公室的环境分子科学实验室（Environmental Molecular Sciences Laboratory简称EMSL）合作完成的。该团队研究在美国两个能源部用户设施，即环境分子科学实验室(EMSL)和联合基因组研究所(JGI)同时启动，根据“用户科学合作设施”(FICUS)新方案（ Facilities Integrating Collaborations for User Science (FICUS) initiative），这使得研究人员可以更容易地整合多个美国能源部科学办公室国家用户设施（DOE Office of Science National User Facilities）的专业知识和能力，只需一个提案。

该研究团队的下一步是尝试确定真菌生产的天然产品。因此，JGI代谢组学技术小组负责人Trent Northen与科学家Ben Bowen和Katherine Louie进行了质谱实验（或分析），以分析化合物并弄清楚其结构。他们的结果表明，厌氧真菌合成的分子是新化学多样性的来源。研究小组确定了三类新颖化合物以及（可能）一种先前已知的天然产物：baumin。baumin是一种抗氧化剂，以前仅由需氧真菌制得。它的系统命名为methyl 2-[(2S,3R)-2-(3,4-dihydroxyphenyl)-3-[6-[(E)-2-(3,4-dihydroxyphenyl)ethenyl]-4-hydroxy-2-oxopyran-3-yl]-4-oxo-2,3-dihydropyran-6-yl]acetate。

为了鉴定更多的真菌天然产物，Michelle A. O’Malley和她的团队计划使用遗传工具来提高产量和分离化合物。尽管它们制造的化合物在很大程度上仍是个谜，但厌氧真菌显然具有出乎意料的化学潜能。上述介绍仅供参考，欲了解更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Significance

Anaerobic gut fungi are important members of the gut microbiome of herbivores, yet they exist in small numbers relative to bacteria. Here, we show that these early-branching fungi produce a wealth of secondary metabolites (natural products) that may act to regulate the gut microbiome. We use an integrated 'omics'-based approach to classify the biosynthetic genes predicted from fungal genomes, determine transcriptionally active genes, and verify the presence of their enzymatic products. Our analysis reveals that anaerobic gut fungi are an untapped reservoir of bioactive compounds that could be harnessed for biotechnology.

Abstract

Anaerobic fungi (class Neocallimastigomycetes) thrive as low-abundance members of the herbivore digestive tract. The genomes of anaerobic gut fungi are poorly characterized and have not been extensively mined for the biosynthetic enzymes of natural products such as antibiotics. Here, we investigate the potential of anaerobic gut fungi to synthesize natural products that could regulate membership within the gut microbiome. Complementary 'omics' approaches were combined to catalog the natural products of anaerobic gut fungi from four different representative species: Anaeromyces robustus (A. robustus), Caecomyces churrovis (C. churrovis), Neocallimastix californiae (N. californiae), and Piromyces finnis (P. finnis). In total, 146 genes were identified that encode biosynthetic enzymes for diverse types of natural products, including nonribosomal peptide synthetases and polyketide synthases. In addition, N. californiae and C. churrovis genomes encoded seven putative bacteriocins, a class of antimicrobial peptides typically produced by bacteria. During standard laboratory growth on plant biomass or soluble substrates, 26% of total core biosynthetic genes in all four strains were transcribed. Across all four fungal strains, 30% of total biosynthetic gene products were detected via proteomics when grown on cellobiose. Liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) characterization of fungal supernatants detected 72 likely natural products from A. robustus alone. A compound produced by all four strains of anaerobic fungi was putatively identified as the polyketide-related styrylpyrone baumin. Molecular networking quantified similarities between tandem mass spectrometry (MS/MS) spectra among these fungi, enabling three groups of natural products to be identified that are unique to anaerobic fungi. Overall, these results support the finding that anaerobic gut fungi synthesize natural products, which could be harnessed as a source of antimicrobials, therapeutics, and other bioactive compounds.