链霉菌中羊毛硫肽基因簇的定向激活及其产物的活性优化

There is urgent and continuous need for new antibiotics as antibiotic resistance has become one of the most serious threat to public health in the world. The excellent antimicrobial activities and distinct mode of actions of lantibiotics has successfully drawn a number of researchers’ attentions, which makes it a new topic for antibiotics discovery. Lantibiotics, a lantipeptide with antimicrobial activities, is ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides. With the exponential increase of microbial genome information and rapid developed bioinformatics techniques, characterization of lantibiotics biosynthetic gene cluster (BGCs) lag far behind their identification. Thus, this project is aiming at mining the lantibiotics from different Streptomyces by activating the target BGCs. By coupling techniques for large DNA segment cloning and for multiple targets BGC refactoring, and universal regulation elements, we are going to set up a platform for effectively activating lantibiotics production in various Streptomyces hosts. Moreover, saturation mutagenesis will be conducted on the core peptide of the new lantibiotics to optimize their antibiotic activities by leveraging the high substrate tolerance of the lanthipeptide synthetases. Our research will offer both theoretic and technical support for new lantibiotics discovery in Streptomyces.

抗生素耐药性正严重威胁全球公共健康，新型高效抗生素的需求日益紧迫，而良好的抗菌活性和独特的作用机制使羊毛硫抗生素成为抗感染药物研究的一个新方向。羊毛硫抗生素是由核糖体合成并经翻译后修饰得到的有抗菌活性的羊毛硫肽，随着基因组信息的爆炸性增长和基因分析技术的日新月异，羊毛硫肽基因簇发现的速度远远超过其鉴定速度。本项目旨在通过激活链霉菌中沉默的羊毛硫肽基因簇来挖掘链霉菌来源的新羊毛硫抗生素。通过综合大片段基因克隆与多靶点编辑技术和通用性调控激活元件，以及利用羊毛硫肽合成酶的高底物耐受性对目标羊毛硫抗生素进行活性优化，来建立链霉菌来源的羊毛硫肽在不同链霉菌宿主中高效激活和活性优化平台，为新型羊毛硫抗生素的发现提供理论和技术支持。

微生物来源的天然产物及其衍生物在抗感染、抗肿瘤以及农业病虫害防治等方面有着广泛的应用。但是，传统的基于生物活性的药物筛选策略效率较低，难以应抗药性问题以及新型疾病的挑战。随着测序技术和生物信息学技术的快速发展，人们发现在微生物，特别是链霉菌的基因组中还存在着数量众多的、可能产生有价值天然产物的基因簇，但其中绝大部分受到严格的调控而在实验室培养条件下处于沉默状态或表达不显著，因此开发有一定通用性的工程化的基因簇激活工具，突破各种个性化激活方法在适用宿主范围和工作效率等方面的限制是天然产物挖掘的关键。. 本研究的目的在于基于本实验室在大片段DNA 分子操作技术以及模块化调控元件开发方面的优势，尝试弥补基因簇重构激活策略的短板，为天然产物基因簇的通用激活平台提供高效可靠的合成生物学工具。研究内容及成果包括：.1. 构建了20个ECF转录调控系统，并测试了其在耻垢分枝杆菌中的正交性。由于ECF转录系统会对宿主造成毒性而不稳定，因此我们对该20个转录系统引入了tetR诱导系统以解除其毒性。.2. 利用ECF17 正交转录系统对生物除草剂thaxtomin A 基因簇进行了改造和异源表达，使该基因簇在委内瑞拉链霉菌中由天然的沉默状态转化为受控的激活状态，在白色链霉菌中达到远超目前报道的最高产量（239 μg/mL），进一步证明我们所设计的激活平台方案的可行性，同时为正交转录系统提供了应用实例，推进了天然产物生物合成基因簇通用激活平台的建立和发展。