CRISPR/Cas9在放线菌合成生物学研究中的应用和发展

放线菌是活性天然产物和抗生素药物的重要来源。利用合成生物学高效地开发其中丰富的天然产物资源,将为加速新药开发奠定坚实的基础。CRISPR/Cas9作为一种多功能基因编辑系统,因其便捷高效而被广泛应用于真核生物的遗传操作。但在原核生物尤其是放线菌中的应用仍处于起步阶段,机遇和挑战并存。本综述总结了目前CRISPR/Cas9系统在放线菌基因编辑和调控,以及活性天然产物的产量提升、生物合成机制解析和资源开发等方面的研究进展。同时,也对该系统在应用中面临的包括重组修复效率低,以及靶向切割效率不足等关键挑战进行了分析,并提出了相应的优化解决方法。随着CRISPR/Cas9在放线菌应用中的不断完善和发展,将极大地推动放线菌的合成生物学研究,促进其中天然产物资源的有效挖掘和应用开发。

微生物核糖体工程在抗生素研发中的应用

为有助于解决全球多重耐药菌感染问题,有必要加速抗生素的研发。针对微生物拥有的巨大生物合成潜力的核糖体工程（ribosome engineering）,利用链霉素、庆大霉素和利福霉素等与微生物核糖体或RNA聚合酶的相互作用,有助于快速、简便地筛选出对应的突变菌株,进而改进其环境耐受性,提高其次级代谢产物的产量或产生新的天然产物。

基于微生物转化的中药渣再利用研究进展

中医药的广泛使用,导致随之产生的中药渣也日益增多。由于成本和技术等多因素的制约,现有中药渣处理方式一般较为简单粗放,造成了严重的环境污染和巨大的资源浪费。微生物作为自然界的"清道夫",在中药渣的绿色转化和利用方面拥有独特的优势,近年来通过微生物转化提升中药渣的再利用价值已备受关注,为中药产业的健康可持续发展提供了新思路。基于此,笔者对微生物转化中药渣资源在农业、畜牧业、环境、能源及医药等领域的再利用研究进展进行了系统的分析和综述,并展望了基于微生物转化的中药渣绿色循环和高附加值利用模式在资源化和可持续化应用上的前景。

新型angucycline/angucyclinone类天然产物的研究进展(2010–2020)

Angucycline/angucyclinone类天然产物是Ⅱ型聚酮类化合物中一个庞大的家族,其产生菌广泛存在于自然界中。由于这类化合物具有丰富的生物活性和独特的化学结构,吸引了众多科学家的浓厚兴趣。随着合成生物学的发展和特殊环境来源放线菌资源的开发,不断有新骨架的angucycline/angucyclinone类天然产物被发现,极大地丰富了这一家族天然产物的结构多样性。本文对2010–2020年期间,利用改变培养条件、基因改造、基因组挖掘、活性导向、特殊环境来源放线菌培养等不同策略从放线菌中所发现的新型angucycline/angucyclinone类化合物进行综述,并对合成生物学方法在这类化合物的发现和开发中的作用进行了讨论。

平板霉素和平板素及其衍生物的生物合成、全合成与半合成研究进展

多重耐药菌感染是全球最严重的公共卫生危机之一.平板霉素和平板素是针对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和耐万古霉素肠球菌等多种革兰氏阳性菌,均有优异抗菌活性的药物先导物.由于其优异的生物活性和新奇的分子结构,多个研究小组在过去的十余年里,对平板霉素和平板素的生物合成、全合成和半合成进行了系统研究.这些研究不仅揭示了微生物药物发现的新高通量筛选策略,而且还发现负责平板霉素和平板素生物合成基因簇,并表征了多个独特的生物合成酶,例如新颖的细菌二萜合酶和硫代羧酸的生物合成酶.通过对上述研究产生的一系列平板霉素和平板素类似物及生物活性测试,揭示了这些化合物的构效关系.平板霉素和平板素的研究是结合有机合成与生物合成,加速微生物天然产物药物发现和开发的范例.综述了平板霉素和平板素的近期研究进展.

气囊在细菌中的生理功能、生物合成及应用研究进展

气囊是在水生细菌中广泛存在的一种具有刚性中空蛋白结构的特殊细胞器,不仅为水生细菌提供浮力,还对其在不利环境或应激条件下的生存至关重要。近期研究发现在其他非水生细菌如沙雷氏菌和链霉菌中也存在气囊结构,而且表现出不同的生理功能。来源于不同种属细菌的气囊生物合成基因簇具有各自鲜明的特征,其生物合成和调控机制也有所不同。本综述将介绍和总结不同细菌中气囊的基本生理功能和生物合成及调控机制,以及气囊的生物技术应用,并对气囊在链霉菌中的生物合成研究以及人工重组气囊的潜在应用进行展望。

细菌源吡咯里西啶类生物碱的发现及生物合成研究进展

吡咯里西啶类生物碱(Pyrrolizidine Alkaloids,PAs)在高等植物中分布广泛,目前超过6000种植物产生了650余个PAs。源于细菌的PAs发现较少,其中ClazamycinA和ClazamycinB由Umezawa等在1979年报道。近年来在微生物基因组和合成生物学发展的驱动下,细菌源PAs的发现和生物合成的研究方兴未艾。截至目前,已发现12类(60余个)源于细菌的PAs,包括波米西亚胺、Azetidomonamides和Brabantamides,以及含有PAs结构单元的多烯大环内酰胺Ciromicins和Heronamides。对这些结构多样、活性优异的细菌源PAs的研究发现,多数PAs依赖于一对独特的非核糖体多肽合成酶(Non-Ribosomal Peptide Synthetases,NRPSs)/拜耳-维利格单加氧酶(Bayer-Villiger Monooxygenase)生物合成其吡咯双烷基本骨架;而含有β-氨基酸的多烯大环内酰胺中吡咯双烷的形成则可能通过一个高度非对映选择性的电子重排反应途径。微生物基因组挖掘揭示了细菌中有大量沉默的PAs生物合成基因簇,说明细菌PAs在细菌进化和其环境/宿主的适应性中起着重要作用。

深海、沙漠、火山、极地来源链霉菌新天然产物(2009~2020)

链霉菌是天然产物的重要来源,但从土壤来源等普通生态环境筛选出的链霉菌中发现新化合物的比例有所降低.深海、沙漠、火山或极地属于极端环境,从中分离出的链霉菌因其特殊气候、地质或营养条件等的差异,有可能产生较多新颖天然产物.综述了2009年至2020年来从深海、沙漠、火山或极地链霉菌中发现的155个新天然产物,介绍了它们的结构和生物活性.

途径特异性调控因子介导的链霉菌来源天然产物的产量提升

链霉菌是活性天然产物的重要来源。基因组学研究揭示了链霉菌有巨大的生物合成潜力,平均每株菌拥有20-40个生物合成基因簇。在常规的实验室条件下,大多数链霉菌来源的天然产物产量较低,影响了对其进一步研究和产业化开发。由于链霉菌中天然产物的生物合成受到严格的调控,对于这些调控因子和调控网络的深入研究将有力地促进链霉菌来源的天然产物的发现和开发利用。文中主要综述了近5年来链霉菌来源天然产物生物合成中途径特异性调控因子的研究进展,重点介绍其在提高相应天然产物产量中的应用。

表面活性素在药物开发中应用的研究进展

表面活性素(surfactin,SF)是一种由芽孢杆菌产生的环状脂肽类生物表面活性剂,因具有优越的生物安全性、可降解性、细胞膜渗透性以及资源可持续性等特点,作为潜在的药物佐剂在生物医药产品研究领域得到了广泛应用。本综述系统介绍了SF的生物安全性、对细胞膜的作用机制以及近年来在医药领域的应用研究,着重阐述了SF作为佐剂在药物递送系统中的研究进展,并展望其临床应用前景。

基于基因探针扫描技术高通量检测乳制品中赭曲霉毒素A产生菌

为快速、准确地检测出乳制品中赭曲霉毒素A(ochratoxin A,OTA)产生菌,以便评估乳制品中OTA污染的潜在风险,根据已阐明的OTA生物合成途径,选择与OTA产生有关的卤化酶基因区域设计兼并引物,建立针对OTA产生菌的聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)检测方法。对1株产OTA(赭曲霉菌(Aspergillus ochraceus))和5株不产OTA的真菌(冠突散囊菌(Aspergillus cristatus)、黄曲霉菌(Aspergillus flavus)、串珠镰孢菌(Fusarium moniliforme)、土壤伊莎酵母(Issatchenkia terricola)、酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae))DNA进行PCR检测验证。结果表明:产OTA的真菌DNA能扩增出相应的条带,而不产OTA的真菌DNA则无法扩增出相应的条带,本方法在污染的乳制品中也具有较高的准确性和灵敏度。

后基因组时代基因组重排在微生物菌种选育中的应用及展望

基因组重排作为一种实用高效的育种技术,在缺乏遗传背景认知和可操作遗传体系等条件下,可以突破微生物种属间的限制,经过多轮递推的原生质体融合来加速其人工定向进化,在微生物菌种改良及代谢产物开发和产业化等研究领域得到了广泛应用。步入后基因组时代,快速发展的组学和生物信息学使基因组重排成为连接各种微生物育种方法的重要纽带,为我们深入探索微生物复杂的代谢网络和全局调控机制,更为精准地实施对微生物的人工调控和定向进化提供了契机。本文系统性地回顾了近年来基因组重排在微生物菌种选育中的应用研究,尤其针对围绕其开展的组学研究进行了详细阐述,并对基因组重排与组学、生物信息学和合成生物学等新兴技术的联合应用进行了展望。

链霉菌CB02959中四霉素及四烯菌素的鉴定及培养基优化

【背景】四霉素(Tetramycin)和四烯菌素(Tetrin)是具有广谱抗真菌活性的四烯大环内酯类抗生素。链霉菌CB02959是一株雷纳霉素(Leinamycin)类化合物的潜在产生菌株,利用antiSMASH分析其基因组发现该菌株含有一个纳他霉素(Natamycin)类四烯大环内酯化合物的生物合成基因簇。【目的】对Streptomyces sp.CB02959中次级代谢产物进行研究,确定其是否可以产生四烯大环内酯化合物,对其发酵产物进行分离和结构鉴定,并进行初步的发酵优化以提高产量。【方法】基于生物信息学预测和高分辨质谱数据,推测CB02959中多烯化合物的结构;在不同发酵培养基中培养CB02959,确定适合大规模发酵的培养基;敲除tetrA基因以确定目标基因簇和四烯大环内酯化合物产生的相关性;分离和鉴定CB02959产生的主要代谢物的结构;通过改变培养基中葡萄糖、麦芽提取物和胰蛋白胨的含量,提高四烯大环内酯化合物的产量。【结果】通过对CB02959中纳他霉素类化合物生物合成基因簇的分析及16S rRNA基因序列的进化树分析,推测CB02959可能是一株新的四霉素和四烯菌素产生菌;在YEME发酵培养基中对CB02959进行大规模发酵,分离得到4个化合物,鉴定为四霉素A(1)、四霉素B(2)、四烯菌素A(3)、四烯菌素B(4);最后通过培养基的初步优化,将化合物1–4的产量分别提高至208.1、100.0、1315.6、109.9 mg/L。【结论】通过基因组挖掘策略发现了一株新的四霉素和四烯菌素产生菌链霉菌CB02959,并通过培养基优化提升了其四烯大环内酯化合物的产量,此发现为这类抗真菌天然产物的后续开发奠定了基础。