基于基因组信息利用合成生物学技术探寻微生物中新型天然产物

Natural products are secondary metabolites synthesized by special enzymes from the organisms. Most of them are bioactive and exhibit important medical properties. However, the biosynthetic pathways for those secondary metabolites are usually silent and the traditional natural products discovery approaches to trigger them on are often time-consuming and labor-intensive, not to mention known compounds are constantly rediscovered. To solve this problem, based on previous success on natural products discovery, bioinformatics tools will be used to analyze the sequenced genomes of several Streptomyces strains. Accompany with CRISPR (clustered regularly interspaced palindromic repeats) system, synthetic biology strategies will be employed to build new biological system (dCas9-activation system and Cas9-promoter knock in system) for novel natural products discovery. This would not only demystify the silent pathways and solve the problem of their activation, but also shed light on the genome information provided for more natural products discovery. Meanwhile, these systems could be used for optimization and characterization of known important natural products biosynthetic pathways and the research presented here would beneficial natural products discovery from other sequenced organisms as well.

天然产物是生物借助其特有的酶系统合成的次级代谢产物，多具有重要的生物活性，故长期为临床用药的重要来源之一。但这些次级代谢产物合成途径通常为沉默途径，而传统的新药筛选方法通过筛选未知信号开启其表达往往耗时费力且常重复发现相同或类似药物。基于前期挖掘新型天然产物的研究的基础，拟用生物信息学技术分析测序基因组（以链霉菌为例）中的未知天然产物生物合成途径，利用合成生物学方法结合CRISPR系统探索有价值未知天然产物生物合成途径中的高效激活靶点（拟构建dCas9-激活系统和Cas9-启动子敲入系统），进行新型天然产物挖掘的研究，解决沉默途径中未知天然产物调控机制激活的问题，对进一步解密微生物基因组信息以获得更多药物资源有重要意义，同时为有较高医药价值的天然产物的生物合成优化奠定基础，也为其他多种测序菌种中未知天然药物的探索提供思路。

天然产物是生物借助其特有的酶系统合成的次级代谢产物，多具有重要的生物活性，故长期为临床用药的重要来源之一。但这些次级代谢产物的生物合成途径通常为沉默途径，而传统的新药筛选方法通过筛选未知信号开启其表达往往耗时费力且常重复发现相同或类似药物。放线菌是多种新颖天然产物的重要来源。基于前期挖掘新型天然产物的研究的基础，我们用生物信息学技术分析已知和未知放线菌共十株的测序基因组信息（其中七株为本项目筛选获取并完成全基因组的测序研究），筛选其中重要的未知天然产物生物合成途径（最终筛选5个基因簇进行首批研究），利用合成生物学方法结合CRISPR系统探索有价值未知天然产物生物合成途径中的高效激活靶点。我们构建了高效的dCas9-激活系统和Cas9-启动子敲入系统，利用xCas9和NGCas9也构建了相应的激活系统和启动子敲入系统。同时改造了新型CRISPR-FnCas12a系统构建了dEp16-激活系统和Ep16-启动子敲入系统。新系统可以识别NYN的PAM区，拓展了该工具的适用范围。以上工具被应用于不同链霉菌中的天然产物挖掘的研究，我们成功激活了ACT基因簇和PTM基因簇，并且对筛选的未知天然产物的生物合成路径也在激活探索当中。该项目对进一步解密微生物基因组信息以获得更多药物资源有重要意义，同时为有较高医药价值的天然产物的生物合成优化奠定基础，也为其他多种测序菌种中未知天然药物的探索提供思路。