放线菌聚酮类化合物生物合成体系重构研究进展

放线菌因其丰富的次级代谢产物而成为候选药物发掘的宝贵资源库,其蕴含的活性化合物包含聚酮类、非核糖体肽类、氨基糖苷类、萜类等,其中聚酮类化合物占比最大。大环内酯是聚酮类化合物的典型,常常被用作抗生素、抗肿瘤剂、免疫抑制剂、抗寄生虫剂等,具有重要的生物学意义。本文立足聚酮类大环内酯的生物合成过程,提出了从基因组重塑、调控通路重组、组合代谢工程及聚酮类化合物结构的衍生与多样化等多角度,实现放线菌聚酮类生物合成体系的优化,为工业规模生产聚酮类药物及其新型衍生物提供技术支撑。通过这种多维度的方法,结合最新的合成生物学使能技术,遵循绿色、环保、高效和可持续的策略,可以更有效地优化和增强放线菌中聚酮类化合物的生产,为未来药物的开发和生产提供新的可能性。

微生物环氧水解酶催化机制及应用研究进展

微生物来源的环氧水解酶(epoxide hydrolases,EHs,EC 3.3.2.3)能不对称水解外消旋环氧化物生成手性环氧化物和邻二醇,催化效率高且区域、立体选择性强,有利于合成高纯度的手性化合物。因此,微生物EHs成为了手性药物合成的一种非常重要的生物催化剂,也是一种强有力的生物合成元件。近10年来,随着基因组学、分子生物学、化学生物学、结构生物学等技术的快速发展,研究者又从多种微生物体内发现了多种具有潜在应用价值的EHs。与此同时,研究者也对微生物来源的EHs的酶学特性、生物大分子结构与催化机理进行了深入的研究。本文介绍了几种目前研究比较透彻的EHs催化机制,并综述了近10年来最新发现的微生物来源EHs,这些EHs具备潜在的应用价值。此外,本文总结了EHs的应用进展,重点介绍了EHs在合成生物学领域的应用。利用酶的定向进化等技术提高EHs催化性能和串联多个合成元件高效合成手性产物,是当前主要的研究趋势。

达托霉素生物合成过程的调控机制研究进展

微生物是天然产物类药物的重要来源之一,其中许多链霉菌来源的抗生素类药物一直活跃在对付细菌感染的前沿阵地。然而随着“超级细菌”的陆续发现,以及新药研发速度的滞缓,人类尚缺乏“超级细菌”的最终治疗手段。达托霉素是由玫瑰孢链霉菌(Streptomyces roseosporus)经发酵产生的一种新型环脂肽类抗生素,由于其独特的结构及特殊的药物机制,被视为多重耐药革兰阳性细菌引起的重症感染的最后一道防线。然而在工业发酵过程中,达托霉素的生物合成水平很低,有极高的提升潜力。本文总结了近年来国内外相关达托霉素合成的调控机制研究,包括调控蛋白的挖掘、途径特异性调控机制、级联调控途径、脂酰前体合成途径、GBL信号途径与磷酸双组分系统及其协同调控机制等,揭示了次级代谢调控网络的复杂性,并阐述了通过调控通路重构实现达托霉素优质高产的策略。

钩端螺旋体磷酸二酯酶基因LARS06960的鉴定及其相关生物学功能初探

目的确定钩端螺旋体LARS06960基因产物蛋白具有磷酸二酯酶(PDE)活性,确定该酶降解的底物细菌二核苷酸可激活巨噬细胞固有免疫因子。方法PCR扩增钩端螺旋体56601株LARS06960基因并构建原核表达系统。通过Ni-NTA亲和层析法提纯表达的目的重组蛋白rPDE。高效液相色谱法(HPLC)检测rPDE降解细菌二核苷酸c-di-AMP或5′-pApA底物为AMP的活性。荧光定量RT-PCR法检测钩端螺旋体感染巨噬细胞过程中钩体LARS06960基因和细胞固有免疫相关因子基因mRNA水平变化。采用荧光定量RT-PCR法和ELISA法检测细菌二核苷酸影响细胞固有免疫相关因子表达及分泌水平变化。结果成功构建钩端螺旋体LARS06960基因原核表达系统,纯化的rPDE具有体外降解5′-pApA和c-di-AMP为AMP的功能。钩端螺旋体感染巨噬细胞过程中,钩体LARS06960基因表达水平显著下降,巨噬细胞IFN-β、TNF-α、IL-6以及IL-1β编码基因表达水平均显著升高。LARS06960编码的PDE酶降解底物细菌二核苷酸可诱导IFN-β和IL-6基因mRNA表达水平或蛋白分泌水平的升高。结论LARS06960基因产物PDE具有PDE活性,其水解底物细菌二核苷酸激活巨噬细胞固有免疫应答。

达托霉素生物合成研究进展

达托霉素是由玫瑰孢链霉菌(Streptomyces roseosporus)生产的一种环脂肽类抗生素,具有强大的抗革兰氏阳性致病细菌的作用,是继"抗生素最后一道防线"万古霉素后的新型抗生素。本文主要对达托霉素的结构、作用机制、合成基因簇及合成机制等当前的研究成果进行综述,并且总结了利用组合生物学对达托霉素进行结构改造的策略,以此来研究结构与活性之间的关系,并寻找更广谱高效的抗生素。最后,总结了提高达托霉素产量的策略,为工业上降低达托霉素生产成本提供理论参考。

组合生物学技术合成他克莫司类似物的研究进展

近年来组合生物学技术在开发抗生素类似物的研究中发挥着越来越重要的作用,在他克莫司类似物的组合生物合成中,通过应用外源合成前体取代烯丙基丙二酸单酰基和4,5-二羟基-1-烯-环己甲酸,以及应用模块化合成元件取代AM合成元件和改造后修饰合成元件,已经生产出11个他克莫司类似物,这些研究拓宽了人们对标准化合成前体和模块化合成元件的认识,为通过组合生物合成手段进行抗生素的更新换代提供指导。

定向进化和半理性设计改造顺式环氧琥珀酸水解酶

【背景】D(-)-酒石酸是非天然有机酸,在保健品、食品和肿瘤药物合成等行业具有重大应用潜力,目前主要通过生物转化法生产,即顺式环氧琥珀酸水解酶[cis-epoxysuccinic acid hydrolase,CESH(D)]水解顺式环氧琥珀酸(cis-epoxysuccinic acid,ESH)生成D(-)-酒石酸。该法简单温和,但存在CESH(D)酶活转化效率低下的瓶颈问题。【目的】通过基因工程改造,提高CESH(D)的酶活力、温度和pH稳定性。【方法】利用定向进化和半理性设计体外改造CESH(D),高通量筛选出正向突变体;然后对其进行酶学性质研究,包括比酶活、温度和pH对酶催化效率的影响、酶的温度稳定性、pH稳定性及酶促动力学分析;最后通过分子对接等手段分析突变位点影响催化活性的初步机制。【结果】筛选获得4个正向突变体L231P/N226S、V77I、D183E和T223S。与野生型相比,4个突变体的比酶活分别提高2.2、1.6、1.5和1.4倍。其中,L231P/N226S的温度稳定性和pH稳定性较野生型均有显著提高,55℃时催化活性为野生型的1.6倍,pH 6.0时催化活性为野生型的1.2倍。动力学分析发现,突变体L231P/N226S和T223S对底物ESH的亲和力有明显提升,Km值分别为20 mmol/L和21 mmol/L,较野生型分别降低18%和16%。分子对接研究表明,突变位点主要通过改变底物结合口袋促进酶与底物的相互作用,从而影响酶活。【结论】获得了温度和pH稳定性好、催化活性明显提高的CESH(D)突变体,初步分析突变位点影响酶活的机制,为进一步研究CESH(D)的结构-功能关系及深入改造提供指导。

链霉菌磷酸泛酰巯基乙胺基转移酶对载体蛋白的底物选择性的研究进展

磷酸泛酰巯基乙胺基转移酶(PPTase)催化脂肪酸合酶(FAS)、聚酮合酶(PKS)和非核糖体肽合成酶(NRPS)中载体蛋白从脱辅基形态转化为全辅基形态,对脂肪酸、PKS产物和NRPS产物的生物合成起着不可或缺的作用。本文介绍并总结了链霉菌PPTase对载体蛋白底物选择性的最新研究进展:Ⅲ型PPTase特异性催化同一个多肽链中ACP的辅基化;Ⅱ型PPTase倾向于催化Ⅰ型PKS中ACP和NRPS中PCP的辅基化;Ⅰ型PPTase倾向于催化Ⅱ型PKS中ACP和Ⅱ型FAS中ACP的辅基化;编码基因位于基因簇内的Ⅰ型/Ⅱ型PPTase倾向于催化编码基因位于同基因簇内的PKS/NRPS中ACP/PCP的辅基化;这些研究结果为阐明并改造链霉菌辅基化网络以提高特定次级代谢产物的产量提供了参考和借鉴。

Ⅰ型聚酮合酶中酰基转移酶结构域的研究进展

大部分抗生素、抗肿瘤、免疫抑制等天然药物是由I型聚酮合酶(PKS)合成的聚酮化合物.I型PKS是以模块形式存在的复合酶,其内每个模块含有多个催化功能域,每个模块负责完成一次链延伸反应.总结了近年I型PKS中催化功能域酰基转移酶(AT)的相关研究,分析了AT结构域的种类、转运多样性的底物、催化机制及其蛋白质结构,并介绍了通过AT结构域的替换、点突变和互补设计新型聚酮衍生物的相关探索,从而阐明AT结构域底物选择性是决定聚酮化合物产物多样性的关键因素之一,为人工构建新型聚酮化合物的高效生物合成路线奠定理论基础.