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姜卫红研究组在抗耐药菌化合物--原始霉素产生菌的遗传改造方面取得新进展

2月20日,国际学术期刊《Metabolic Engineering》杂志在线发表了中科院上海生科院植物生理生态研究所姜卫红研究组题为“A stepwise increase in pristinamycin II biosynthesis by Streptomyces pristinaespiralis through combinatorial metabolic engineering”的研究论文。

抗生素的长期使用,尤其是不合理使用及滥用,使临床上耐药的致病菌感染已成为目前医学界十分严重的问题,因此研制和开发具有抗耐药菌能力的抗生素十分迫切。由始旋链霉菌(Streptomyces pristinaespiralis)产生的原始霉素(Pristinamycin)(也称普那霉素)具有这样的作用。它属于链阳性类抗生素,包含原始霉素I(PI)与原始霉素II(PII)两个组分,其衍生物已被批准用于治疗多种临床耐药性病原菌,如耐甲氧西林葡萄球菌与耐万古霉素肠球菌等。目前国内现有始旋链霉菌的发酵单位很低,因此原始霉素一直未能实现产业化。上海来益生物药物研发中心利用随机诱变和连续传代的策略,获得了一株遗传性状稳定的高产菌株HCCB10218(PII产量为185 mg/L)。以此作为出发菌株,我所姜卫红组的博士研究生李雷和芦银华研究员与上海来益生物药物研发中心分工合作,通过组合代谢工程策略与发酵工艺的优化,进一步提升了该菌株PII的发酵产量。

首先,通过PII生物合成基因簇拷贝数的扩增,实现了PII产量的有效提升(45%)。其次,他们对原始霉素生物合成的途径特异性调控网络(包含7个调控基因,papR1-R6spbR)进行了系统改造。在敲除负调控基因papR3papR5的基础上,同时强化正调控基因papR4papR6的表达,PII产量分别提高了99%与75%。组合上述两种策略,工程菌株的PII产量提高了1.5倍,达到460 mg/L左右。最后,通过添加大孔吸附树脂以减弱终产物的毒性效应与反馈抑制,工程菌的PII产量在摇瓶和分批发酵中分别达到了1.13 g/L和1.16 g/L,是出发菌株的5.13倍和5.26倍。这些研究成果为最终获得原始霉素的工业生产菌株奠定了坚实基础,所采用的组合代谢工程策略也可用于其他工业链霉菌的菌种改良。

此外,在本研究中,他们还对经典的Gibson等温一步法进行了优化改良,建立了适用于高G+C含量的大片段DNA拼接方法,从而为放线菌次级代谢产物的基因组探矿提供了非常便利的技术,相关研究结果已申请了国家专利(201410270968.6)。

该研究得到了科技部973和863项目的资助。


图1:始旋链霉菌遗传谱系图与PII产量


图2:改进的Gibson等温一步法

 
 
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