利用细胞内甘油三酯存储提高链霉菌中聚酮类化合物的效价

靶向代谢流分析(Glycosis, TCAcycle, beta-oxidation)由中科脂典平台完成

原文链接: https://www.nature.com/articles/s41587-019-0335-4

链霉菌是许多生物活性聚酮的已知生产者，包括临床应用中的抗生素、免疫抑制剂、抗寄生虫药和抗肿瘤药。聚酮类药物最近的一个亮点是，2015年诺贝尔生理学或医学奖授予了由阿维链霉菌产生的驱虫剂和杀虫剂抗生素阿维菌素。数十年活跃的基础研究和工业经验加深了对链霉菌生物学和聚酮生产的生物化学的理解。众所周知，链霉菌在发酵过程中经历了从初级代谢向次级代谢的重大转变:在初级代谢阶段，细胞消耗外部营养物质以快速生长，之后，当必需的营养物质变得有限时，细胞停止活跃生长，并开始产生次生代谢产物，如聚酮。

了解碳通量从外部碳源到聚酮生物合成的动态过程对链霉菌的代谢工程具有重要意义。如何将降低的代谢通量转化为大量的固定相聚酮的生物合成？除了转录和翻译调节外，在链霉菌的代谢转换中可能还有一些未知的细胞内代谢物。识别和控制这些关键的细胞内代谢物的途径可能为提高效价提供一种新的策略。

2019年12月，中国科学院微生物研究所、华东理工大学、中国农业科学院植物保护研究所、中国科学院遗传与发育生物学研究所、齐鲁理工大学的相关研究人员在《Nature Biotechnology》上发表了题为“利用细胞内甘油三酯存储提高链霉菌中聚酮类化合物的效价”的研究论文，揭示了链霉菌中动态甘油三酯(TAG)存储的生理作用，为提高聚酮类化合物的产量提供了一条新的途径。

为了全面了解链霉菌在发酵过程中的代谢，以确定聚酮类化合物生物合成的关键细胞内代谢物， 研究人员获得了一个完整的时间进程代谢物和一个主要的模式生物-链霉菌的转录组数据集。通过比较野生型和高产菌株，研究人员发现细胞内的TAG存储作为细胞内碳源，在固定期进行聚酮生物合成（图1）。

图1. 通过时间-过程比较代谢组鉴定聚酮生物合成的关键胞内代谢物。

随后，研究人员分析了了794种细胞内代谢物与碳输入（葡萄糖摄取）之间的关系，以及整个时间过程中所需的聚酮反应的输出，证明了动态TAG存储可以作为连接链霉菌中初级碳代谢和聚酮生物合成的桥梁（图2）。

图2.连接初级碳代谢和聚酮生产的TAG存储演示。

更重要的是，研究人员发现了碳通量在固定阶段被重定向到聚酮生物合成的机制:由TAG降解产生的还原当量抑制了TCA循环酶的活性，从而降低了进入TCA循环的代谢通量，增加了向聚酮生产方向的通量（图3）。而TAG动员过程中，SCO6196是负责TAG降解的关键基因（图4）。

图3.  TAG介导的代谢通量重定向机制。

图4.负责TAG分解代谢的SCO6196的鉴定。

受这些生物学见解的启发，研究人员设计并实现了一种新的“TAG的动态降解（ddTAG）”策略，该策略选择性地利用TAG分解代谢的时间和强度来显著提高聚酮的产量（图5）。此外，研究人员证明了这一策略在四种链霉菌中提高各种多酮类化合物产量的强大效果:放线菌紫红素(Act)、杰多霉素B (JdB)、土霉素(Otc)和诺贝尔奖获奖药物阿维菌素。值得注意的是，在180-m3的工业规模发酵中，研究人员将阿维菌素B1a的产量从6.20 g/L提高了50%，达到9.31 g/L，这突出了该ddTAG策略的实用性。

图5.提高聚酮效价的ddTAG策略。

营养缺乏时从初级代谢到次级代谢的转变在许多微生物中普遍存在，而更好地了解在这种代谢转换中起作用的关键细胞内代谢物，将大大有助于提高商业相关次级代谢物（如抗生素）的产量。该研究工作大大扩展了对细胞内动态TAG存储的理解，并为提高链霉菌中聚酮类化合物的效价开辟了一条新的途径。

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