宏基因组学方法发掘新颖I型聚酮化合物研究

Natural products have been very important sources of drug discovery and generally obtained by fermentation of the native producer bacteria and the majority of bacteria remain recalcitrant to standard culture methods, prohibiting their use as sources of drug discovery. The cloning of DNA extracted directly from environmental samples (environmental DNA, eDNA) and heterologous expression of the eDNA derived natural product biosynthetic gene clusters provides a means of exploring the biosynthetic capacity of natural products. This general approach has been termed metagenomics and metagenomics has been considered as a novel technology for discovering new natraul products and their biosynthetic genes. Type I polyketides, arising from type I polyketide synthases (PKSs), includ many important antimicrobials and anticancer agents. By using metagenomic methods, we will clone and heterologously express eDNA derived type I PKS gene clusters to discover new PKS biosynthetic genes and bioactive polyketides that had not been characterized from the studies of cultured species. In this project, the metagenomic methodology will be developed for its application in new biosynthetic genes and bioactive natural products discovery.

微生物天然产物是现代药物的重要源头，传统的通过发酵微生物来发现新天然产物的方法因为大多数微生物的不可培养而受到极大限制。直接克隆天然产物的生合成基因簇并使其在可培养宿主中表达的宏基因组学技术，为发掘天然产物提供了一种新的方法。微生物I型聚酮化合物（PKIs）是由I型聚酮合酶（PKSIs）催化合成的一类微生物天然产物，具有良好的抗肿瘤、杀菌等多种生物活性。本课题拟利用宏基因组学方法直接从土壤中克隆环境微生物的PKSI生物合成基因簇，使其在易培养的异源宿主中功能性表达，得到新的具有生物活性的PKI化合物，并发掘具有新催化潜力的功能酶。本课题的完成，不仅为利用宏基因组学方法从环境微生物中发掘新颖生物合成基因和新奇化合物建立基础，同时为更深入发掘土壤微生物资源提供有力的研究平台，具有理论和实践意义。

土壤环境中生长的微生物所产生的天然产物和生物活性酶是新药发现和工业化酶的重要源头，然而通过传统的分离和发酵策略来发掘这些资源由于绝大多数微生物的不可培养性而受到限制。不依赖于微生物培养性的宏基因组学技术为天然产物和生物活性酶的发现提供了新的途径。在本课题中，我们利用宏基因组学技术，针对宏基因组文库的构建，以及文库中聚酮化合物的生物合成基因的筛选与表达开展了相关的研究工作，同时对课题所构建文库中的抗生素抗性基因和生物活性酶进行了研究。通过课题的实施，成功构建了两个不同类型土壤样品的克隆数大于一千万的大型宏基因组文库，利用同源筛选技术筛选文库获得了上百个含天然产物生物合成基因簇的阳性克隆，利用链霉菌宿主，异源表达了部分阳性克隆并获得了新结构的化合物，同时，利用表型筛选技术获得了新的生物活性酶和抗生素抗性基因。通过以上研究工作，建立了宏基因组学技术发掘土壤微生物来源的天然产物和活性酶的方法体系。在课题的资助下，已发表SCI论文2篇，中文核心期刊论文2篇，其他研究数据正在投稿或在整理。