Streptomyces exfoliatus A1013Y中蓝色素的分离鉴定及生物合成机制

As one of the three basic pigments, natural edible blue pigment is very scarce because of the scarcity of resources. Our research group found that Streptomyces exfoliatus A1013Y can produce two kinds of blue pigment including extracellular fat-soluble and water-soluble. From the fat-soluble components, a safe and novel pyranonaphthoquinone compounds has been found. Based on these research results, the current project will continue perform purification and structure identification of chemical compositions (including trace elements) in the fat-soluble and water-soluble section by using various means of chromatogram and spectrum; On the basis of confirmation of monomer safety, exploring key enzyme biosynthesis gene of the blue pigment and prediction of metabolic pathways using genomic sequencing modern molecular biology technology; By heterologous expression function of key enzyme genes and analysis of key compounds structure information in metabolic pathways, a clear blue pigment biosynthesis will be clarified. The successful implementation of this project is expected to achieve improved and group S. exfoliatesA1013Y metabolites in blue pigment production optimization, for the follow-up at the gene level through a combination of biological, more safety of edible blue pigment and lay the theoretical foundation, to provide technical support and theoretical basis for the preparation of microbial fermentation of edible blue pigment industry.

蓝色素作为三大基本色素之一，因制备资源稀少而十分稀缺，寻求微生物源食用蓝色素有望突破其来源瓶颈。课题组前期发现1株胞外高产脂溶性和水溶性两类蓝色素的脱叶链霉菌A1013Y，已从脂溶性组分发现一个安全、新型吡喃并萘醌类蓝色化合物。本项目拟在此基础上利用各种色谱、波谱手段对剩余组分和未研究的水溶性蓝色组分的化学成分（包括微量成分）进行系统分离纯化和结构鉴定，全面解析蓝色素化学组成；在确证蓝色单体安全性基础上，利用基因组测序等现代分子生物学技术挖掘蓝色素生物合成关键酶基因并预测代谢途径；通过异源共表达代谢途径关键酶基因及对关键化合物结构信息解析验证关键酶基因功能，最终明确蓝色素的生物合成途径。本项目的成功实施有望实现脱叶链霉菌A1013Y代谢产物中蓝色素产量提高和组分优化，为在基因水平通过组合生物学获得更多安全新型食用蓝色素奠定理论基础，为微生物发酵制备食用蓝色素的产业化提供技术支撑和理论依据。

蓝色素作为三大基本色素之一，因制备资源稀少而十分稀缺，寻求微生物源食用蓝色素有望突破其来源瓶颈。通过本项目的实施，主要获得以下研究成果：（1）成功获得1株高产蓝色化合物的链霉菌新种Streptomyces vilmorinianum YP1，解析链霉菌新种YP1的全基因组信息及蓝色化合物榴菌素基因簇信息，链霉菌Streptomyces v. YP1全长7,646,296 bp，GC含量为71.59%，含有23个基因簇，与其它榴菌素产生菌具有较远的亲缘关系，为一株新的蓝色化合物榴菌素及其类似物产生菌，为通过微生物发酵制备食用蓝色素的产业化提供技术具有自主知识产权的新型菌株资源，为获得更多具有独立知识产权的研究成果提供保障。（2）成功构建Streptomyces v. YP1遗传操作体系，为从基因层面对蓝色化合物榴菌素生物合成机制研究提供基础保障，为采用分子生物学手段提高蓝色化合物榴菌素及其类似物的产量奠定基础。（3）通过基因敲除、回补及过表达等方式对榴菌素基因簇中的基因功能进行验证，通过敲除调控基因ORF20有效提高了蓝色化合物榴菌素产量，通过敲除糖基转移酶ORF14基因探究糖基转移酶在榴菌素特殊的“C-C” 键糖基附着中的作用。（4）对YP1次级代谢产物进行系统分离纯化，发现1种新颖的榴菌素类似物——新的吡喃并萘醌类蓝色化合物：4,8,13-trihydroxy-6,11-dione- trihydrogranaticins A（TDTA），对新化合物蓝色单体化合物的抗癌细胞增殖活性及作用机制研究发现，TDTA对HepG2、MDA-MB-231等癌细胞具有强抗增殖活性，IC50值分别为0.5 uM和0.6 uM，CC50值分别为8 uM和10 uM，SI值（CC50/IC50）高达16和18（一般SI值大于2认为安全性比较高），结合粗品小鼠急性毒性试验结果，说明Streptomyces v. YP1代谢产生的蓝色素是一种安全性较高的天然色素。（5）构建链霉菌Streptomyces v. YP1发酵高产策略。通过摇瓶发酵选择适合Streptomyces v. YP1发酵的最适培养基及培养条件，进而通过发酵罐培养的方式实现规模化发酵培养，证明YP1是一株具有自主知识产权且适合工业应用的优良菌株，同时为YP1工业化发酵应用提供基础发酵参数。