基于混合培养的海洋来源微生物代谢潜力挖掘及活性次级代谢产物研究

Recent advances in genome sequencing have revealed that lots of microbial gene clusters which encoding secondary metabolites were silent under conventional cultivation, and how to activate these cryptic gene clusters to obtain secondary metabolites with diverse structures and bioactivities has become a frontier and hot issue of contemporary research. This project will activate the silent gene clusters of marine-derived microorganisms and study on the regulatory mechanisms of microbial metabolic while achieving structural diversity. The Antarctic deep-sea derived fugus, Penicillium crustosum PRB-2, can produce new skeleton metabolites and drug lead by generating o-QM intermediate. In our recent research about co-culture, we find that many new secondary metabolites were produced when PRB-2 co-cultured with other five fungi, respectively, which were of great value to study. Therefore, this project will select different fungi and actinomycetes with clear metabolic background to co-culture with PRB-2, identify the new secondary metabolites and evaluate their bioactivities. Meanwhile, we will also attempt to clarify the activated gene clusters and explore the interaction mechanism between the strains by molecular biotechnologies,such as genome sequencing, transcriptional level analysis and gene knockout. This project is of great significance to the research of marine-derived microbial resources and the drug development of our country.

微生物基因组分析表明，其编码次级代谢产物的大量基因簇在传统培养条件下处于“沉默”状态，如何激活沉默基因簇获得结构及活性多样的次级代谢产物是目前研究的前沿和热点。本研究将利用混合培养策略激活海洋来源微生物的沉默生合成基因簇，在获得结构多样性的同时探讨微生物代谢调控机制。南极深海来源的真菌Penicillium crustosum PRB-2，可以通过自身的邻亚甲基苯醌活泼中间体产生新骨架化合物和药物先导化合物，前期研究发现，该菌株与5株不同真菌分别混合培养时可以产生新的次级代谢产物。本项目拟将菌株PRB-2与代谢背景清楚的真菌和放线菌进行混合培养，并对新次级代谢产物进行分离鉴定和活性评价；通过基因组测序、转录水平分析、基因敲除等分子生物学技术阐明混合培养激活的沉默基因簇，探讨种间作用机制。本项目对海洋微生物资源研究和我国创新药物研发具有重要意义。

基因组分析表明，微生物编码次级代谢产物的大量基因簇在传统培养条件下处于“沉默”状态，如何激活沉默基因簇获得结构及活性多样的次级代谢产物是目前研究的前沿和热点。本项目旨在利用混合培养策略激活微生物的沉默生合成基因簇，在获得结构多样性的同时探讨生合成过程和种间作用机制。本项目的主要研究对象为南极深海来源的真菌Penicillium crustosum PRB-2，该菌株具有非常大的代谢潜力，可以产生邻亚甲基苯醌类活泼中间体，不仅从中获得一个NPR热点分子而且获得一个具有抗病毒成药潜力的化合物。本项目将其与代谢背景清楚的真菌和放线菌进行混合培养，发现多组共培养组合的代谢产物发生了变化。因此，进一步对新产生的次级代谢产物进行了分离鉴定和活性评价，并对生合成过程和种间作用机制进行了探讨。目前分离纯化得到22个次级代谢产物，其中19个新化合物，通过核磁共振、质谱、旋光、圆二色谱、计算量子化学、化学沟通、化学衍生以及化合物的理化性质，确定了11个新化合物的全部绝对构型和8个新化合物的部分绝对构型。对所得化合物进行了抗肿瘤、抗病毒、抑菌、降脂等多种生物活性评价，发现了4个具有抑菌活性的化合物，3个具有抗病毒活性的化合物以及2个具有肝癌抑制活性的化合物。此外，还通过基因组信息分析、基因敲除和液质分析等方法对化合物的生合成过程和种间作用机制进行了初步研究和探讨。本项目利用种间相互作用激活沉默基因簇，显著提高了获得新颖活性次级代谢产物的机率，对海洋微生物资源研究和我国创新药物研发具有重要意义。