基于生物合成途径关键基因高通量筛选嗜盐放线菌并探索潜力基因簇的异源表达

Halophilic actinomycetes possess large potential to produce novel natural products. But these strains have some unfavorable features, such as slow growth, low fermentation yield, need high salt environment which cause corrosion of equipments and huge secondary metabolites production bias in different strains, which hindered development of these valuable natural resource. Here, biosynthetic pathway based probes and real-time fluorescent quantitative PCR will be used together to high-throughput screen the halophilic actinomycetes which we collected before. 1% out of 1000 strains which possess highest potential will be chosen for further research. Traditional fermentation will be carried out to find new natural products. Genomic sequencing and genome mining will be used to find potential biosynthetic gene clusters. Further more, 1-2 most potent gene clusters will be chosen for a preliminary study of gene cluster clone, genetic manipulation and heterologous expression. This project will improve the ratio of novel natural products discovery from halophilic actinomycetes, resolve the development difficulties of the resources partially, and will provide reference for natural products discovery from microbes by integrated using novel approaches of natural product chemistry and biosynthesis together.

嗜盐放线菌具有产生大量新天然产物的潜力。但该类菌株具有生长缓慢、发酵产量低、高盐环境腐蚀设备和产生次生代谢产物潜力差异大等不利特性，导致开发该类菌株天然产物资源遇到困难。鉴于此，本项目将利用项目组前期积累的嗜盐放线菌资源，综合应用基于生物合成途径特异性探针和实时荧光定量PCR高通量筛选的方法，从1000株菌株中筛选出1%最有产生新天然产物潜力的菌株；对潜力菌株进行发酵，寻找新天然产物；对潜力菌株进行基因组测序，结合生物合成途径研究成果，运用生物信息学挖掘具有产生新天然产物潜力的基因簇；选择最有潜力的1-2个基因簇，初步探索基因簇克隆、改造和异源表达。本项目将提高嗜盐放线菌来源新天然产物的发现几率，部分解决开发该类资源遇到的困难，为综合应用天然产物化学和生物合成新方法探索微生物来源的天然产物提供参考。

放线菌的天然产物是新药研发的重要来源。但是，随着菌株和化合物大量积累，重复发现老菌株和已知化合物的概率大大提高，获得新天然产物的难度也越来越大，需要从新生境中发现新的放线菌资源，从中获得新天然产物。嗜盐放线菌是一类存在于天然高盐环境中的极端微生物，具有特殊的生理机制、基因类型和代谢产物，是认识生命现象、研究生物多样性形成机制和推动生物制药产业发展的宝贵资源。我们积累了大量嗜盐放线菌资源，也采用传统天然产物筛选途径寻找新化合物，却遇到了嗜盐放线菌生长极其缓慢，需要高浓度盐环境，发酵产物产量极低，菌株间产生次生代谢产物能力差别极大等多方面的困难。本项目针对嗜盐放线菌生物合成基因的特点，建立了适于该类菌株的基于生物合成途径关键基因的高通量筛选方法，从大量菌株中筛选出最有潜力的菌株；通过对潜力菌株进行多种培养基的系统发酵，获得了一系列活性天然产物，排除了绝大部分潜力不高的嗜盐放线菌菌株，极大地减少逐个发酵的工作量，提高新天然产物发现的概率。对部分潜力菌株进行了全基因组测序，挖掘上述潜力菌株中的产生次生代谢产物的能力，从中选择了多个最有潜力的基因簇，在多个不同的异源表达链霉菌宿主中构建工程菌株，进行异源表达研究。建立了成熟的潜力基因簇克隆和异源表达平台，分离纯化了多个化合物，极大地减少传统发酵的盲目性，提高了嗜盐放线菌来源的新天然产物发现的几率，初步解决了嗜盐放线菌天然产物资源开发遇到的难题。