合成生物学构建高效聚酮合成前体供应动态感应调控系统

To establish a new approach to improve polyketide production in streptomycetes, this work will attempt to construct a highly efficient dynamic sensor-regulator system to control precursor supply for polyketide biosynthesis in Streptomyces coelicolor. First, a pathway for precursor supply will be designed based on native lipid degradation pathways of S. coelicolor. Next, a regulatory module for fatty acid degradation controlled by quorum sensing regulation and a malonyl-CoA induced feed-forward activation module will be constructed and assembled into a dynamic sensor-regulator system, resulting in the timely start of precursor supply as well as the coordination of precursor supply and polyketide biosynthesis. Then, an analysis platform will be built to evaluate the effects of artifical regulatory modules or systems on cellular metabolism and regulation. Finally, the compatibility between designed modules/systems with chasis will be tested and optimized. From this analysis, we aim to obtain a dynamic sensor-regulator system that will realize efficent "lipid to polyketide" conversion. At the same time, the metabolic and regulatory machenisms of this new lipid to polyketide regulatory system will be investigated and elucidated precisely. Since this artifical system is assembled with standard synthetic modules, it possesses the great potential to be widely used in streptomyces to improve polyketide production. So far as we know, this is the first dynamic sensor-regulator system that is designed and applied for polyketide production enhancement.

本研究以Streptomyces coelicolor为模式材料，针对其产生的聚酮化合物actinorhodin（Act），依据合成生物学设计理念，构建聚酮合成前体供应的动态感应调控系统，尝试建立提高链霉菌聚酮产量的新策略。首先，设计基于链霉菌自身脂类物质降解的前体供应路线，构建脂肪酸降解的群体感应动态调控模块和丙二酰CoA的前馈激活动态调控模块，适时启动聚酮前体供应与生物合成；其次，建立模块加载分析平台，研究人工合成模块/系统对Act生物合成代谢调控的影响；最后，建立适配性研究方法，从"适时"和"适量"两方面优化聚酮合成前体供应动态感应调控系统与底盘的适配性，获得"脂类→聚酮"高效转化动态感应调控系统，最终解析该系统提高聚酮产量的代谢调控机制。这是首次利用合成生物学标准化模块构建的具有链霉菌普适性的聚酮合成前体供应动态感应调控系统，可用于提高其他链霉菌聚酮产量，推动聚酮化合物的工业应用。

链霉菌能够产生大量的有良好的生物活性的聚酮类化合物，具有重要的医用、农用价值。因此，提高链霉菌聚酮类化合物的产量十分重要。然而，构建链霉菌聚酮高产菌株仍面临以下关键科学问题:（1）聚酮合成前体供应及链霉菌复杂代谢转变机制尚不明确；（2）链霉菌合成生物学表达控制元件十分匮乏；（3）缺乏高效的次级代谢途径适配策略。.本项目围绕上述关键科学问题，展开以下四个部分研究：（1）解析连接链霉菌初级代谢与聚酮合成的代谢转变机制，并建立聚酮前体供应动态感应模块；（2）获得链霉菌可普遍适用的启动子及稳定内参基因；（3）建立提高链霉菌聚酮产量代谢途径适配策略；（4）开发高产菌株高通量筛选方法。.本项目基于合成生物学“认知、设计、优化” 的研究思想，针对提高链霉菌聚酮产量获得了一系列重要结果，如下。.(1).首次阐明三酰甘油（TAGs）对链霉菌聚酮合成的重要意义：作为胞内碳源为聚酮合成提供前体、充当初级代谢与聚酮次级代谢转变的重要桥梁。在此认识的基础上，构建基于胞内TAGs降解的聚酮前体供应模块。利用该模块将天蓝色链霉菌聚酮放线紫红素（Act）和委内瑞拉链霉菌聚酮杰多霉素产量分别提高为出发菌株的2.8和2.6倍；并且显著提高阿维菌株大罐产量。这些结果为利用合成生物学策略提高链霉菌聚酮产量提供了新思路。.(2).基于时序转录组数据分析及实验验证，筛选到166个具有不同强度的链霉菌组成型启动子，极大地丰富了链霉菌启动子元件库；筛选到5个在链霉菌中具有普适性的稳定内参基因，为代谢途径精确适配提供了重要基础。.(3).提出利用链霉菌自身时序启动子“适时、适量”双维度适配代谢途径的策略，可将天蓝色链霉菌Act产量提高为出发菌株的4倍。该策略对于适配其它链霉菌次级代谢途径也具有指导意义。.(4).首次利用别构转录因子（aTFs）能够感应小分子的特点，获得目前最灵敏的土霉素检测方法。该原理可用于开发其他全新化学小分子检测方法，用于高产菌株筛选、临床诊断和环境监测等领域。