南海红树林链霉菌sp.OUC6819中新型DKP-Terpenoid杂合抗生素Drimentine C的生物合成研究

Drimentine C属于一类在原核生物中很少见的异戊二烯化吲哚二酮哌嗪类化合物，是由二酮哌嗪-萜类（DKP-Terpenoid）杂合体系催化组装而成，具有显著的抗菌、抗肿瘤、杀昆虫和杀寄生虫等生物活性。本项目以源自我国南海红树林的链霉菌sp. OUC6819为研究对象，结合Drimentine C的化学结构信息和链霉菌sp. OUC6819的基因组序列，对Drimentine C生物合成基因簇进行分析与鉴定，阐明相关生物合成基因的功能与分子作用机制，揭示Drimentine C的生物合成途径，为进一步运用组合生物合成与代谢工程手段理性进行化合物的结构修饰与改造，以及构建定向高产工程菌株提供直接的理论依据。

Drimentine C属于一类在原核生物中少见的倍半萜化吲哚二酮哌嗪类化合物，是由二酮哌嗪-萜类（DKP-Terpenoid）杂合体系催化组装而成，具有显著的抗菌、抗肿瘤和杀寄生虫等生物活性。Drimentine C结构上的与众不同暗示了其生物合成基因簇基因组成的独特性及其组装机制的新颖性。本项目以源自我国南海红树林的链霉菌sp. OUC6819为研究对象，开展了Drimentine C的生物合成分子机制研究。结合Drimentine C的化学结构信息和链霉菌sp. OUC6819的基因组序列，以萜类合成相关基因、非核糖体肽合酶（NRPS）基因、环二肽合酶（CDPS）基因为靶点，对可能的Drimentine 生物合成基因簇进行了定位。采用建立的基于菌丝超声破碎的接合转移策略，对目标基因簇进行了基因阻断研究，结果揭示了Drimentine C并非通过常规的NRPS途径，而是通过CDPS途径合成的。Drimentine 生物合成基因簇大小为15 kb，包含了12个开放阅读框，分别为：萜类结构单元合成相关基因dmtH，二酮哌嗪结构合成相关基因dmtG和dmtJ，调控相关基因dmtA和dmtB，后修饰基因dmtC，dmtI和dmtL，以及未知功能基因dmtD-F和dmtK。进一步，我们通过体外生化实验对关键酶的功能进行了鉴定，并对倍半萜组装到二酮哌嗪的催化反应机理进行了探究；揭示了倍半萜转移酶DmtH的新颖性，表征了其体外酶学性质及动力学常数，探究了其对环二肽受体及萜烯供体的宽泛性，获得了系列新的烯萜化DKPs衍生物。同时，通过关键基因高表达和调控基因阻断使Drimentines的产量提高了约2-5倍，为其进一步研发提供了物质来源。本项目研究结果加深和拓展了我们对DKPs以及杂合萜类化合物生物合成的理解，为进一步运用组合生物合成和合成生物学策略理性扩展具有生物活性的萜烯化DKPs类化合物的结构多样性、以及提高活性目标化合物的产量提供了可靠的科学理论和技术手段，将促进Drimentines的进一步开发应用。