抗感染抗生素neoabyssomicins/abyssomicins的生物合成机制研究

Identifying new anti-infective antibiotics from marine microorganisms and applying the combinatrorial biosynthesis to modify the new antibiotics under mild conditions were two emerging approaches for drug discovery and development. Neoabyssomicins/abyssomicins, structurally novel and complex polycylic polyketides and showing strong antibacterial activities against methicillin-resistant Staphylococcus aureus and the latent HIV reactivating activity, were isolated from the deep South China Sea-derived Streptomyces sp. SCSIO 5802 in our previous studies. So far, the biosynthetic mechanism of neoabyssomicins/abyssomicins has not been elucidated yet. To achieve this purpose and to identify and characterize the unique enzymes involved in the intromolecular [4 + 2]-Diels Alder reaction, Baeyer-Villiger reaction and other post-tailoring steps in their biosynthetic pathway, we will: 1) identify the gene cluster governing the biosynthesis of neoabyssomicins/abyssomicins; 2) perform a serial of in vivo gene disruption experiments in Streptomyces sp. SCSIO 5802; 3) isolate the biosynthetic intermediates accumulated in the corresponding gene mutant strain; 4) and characterize some key genes in vitro by overexpression of the corresponding genes, testing the activity of each of the purified enzymes with corresponding biosynthetic intermediate as substrate, and investigation of their kinetic parameterm. These results of this project will lay foundation for the discovery of new biocatalyst and generation of new antibacterial abyssomicin derivatives using combinatorial biosynthesis.

从资源新颖的深海微生物中挖掘新型抗感染抗生素并利用条件温和的生物合成技术进行改造是药物研发的新思路。申请人所在学科组从南海深海放线菌SCSIO 5802中分离到结构新颖、具有抗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和激活HIV活性的多环聚酮类抗生素—(新)深渊霉素（neoabyssomicins/abyssomicins），其生物合成机制尚不清楚。本项目拟鉴定（新）深渊霉素的生物合成基因簇，对其中的结构基因、调控以及后修饰基因进行体内敲除，对生物合成中间体进行分离鉴定，对新功能基因进行体外蛋白表达、生化测试和酶反应动力学表征，以阐明（新）深渊霉素的生物合成机制，挖掘其生物合成途径中蕴藏的新颖 [4+2] Diels-Alder反应、Baeyer –Villiger氧化反应和其它新功能氧化后修饰酶。研究工作为新功能酶催化剂的挖掘和利用组合生物合成技术获得抗感染活性更强的深渊霉素新结构衍生物奠定基础。

南海深海来源放线菌SCSIO 5802产生的多个II型深渊霉素类化合物，该类化合物属于含特征性tetronate环结构单元的多环聚酮类化合物，化学结构新颖，具有包括抗耐药金黄色葡萄球菌、抗结核分枝杆菌和激活潜伏感染HIV病毒在内的多种强效抗感染活性，具备开发为新型抗感染药物的潜力。本项目聚焦该类深渊霉素的生物合成，鉴定了其生物合成基因簇，利用体内基因敲除、体外生化反应测试以及结合结构生物学等方法，解析了其生物合成途径，从中发现了一类非特异性结合血红素因子的[4+2]环化酶AbmU，负责催化分子内的[4+2]环化反应生成结构中环己烷结构单元；同时发现了一个双功能P450酶AbmV，阐明其负责催化分子内乙烯基桥联醚环和羟基的形成；并发现了一类由细菌荧光素酶类单氧化酶AbmE2和黄素还原酶AbmZ组成的双组分II型Beayer-Villiger单氧化酶，揭示了其负责催化深渊霉素的后修饰Beayer-Villiger氧化反应，通过将毒性较高的abyssomicin 2转化为没有毒性的neoabyssomicin B，从而降低对自身的危害，介导产生菌对自身抗菌代谢产物的自我解毒机理。基于以上生物合成机制的解析，我们构建了两株深渊霉素类化合物高产基因工程菌株；并利用酶法合成的方法获得一个II型深渊霉素新结构衍生物abyssomicin 7，结合晶体学分析方法，初步揭示产生新结构衍生物的分子机理。以上研究成果在ACS Catal. (IF = 12.2)，Org. Lett. (IF = 6.5)等本领域主流期刊杂志上共发表标注论文7篇，1篇影响因子大于10。培养硕士研究生2名，项目负责人入选广州市珠江科技新星（2018年）、广东省自然科学杰出青年基金（2021年）、并从副研究员晋升为研究员（2020年）。以上研究成果不仅为抗感染药物的结构修饰和优化和高效合成提供重要的理论依据以及源源不断的药物先导分子，并对新型抗生素的研究开发和促进海洋微生物资源的高效利用具有重要意义。