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科技日報記者 宋迎迎 通訊員 黃雪年 門萍
3月10日，科技日報記者從中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所（以下簡稱“青島能源所”）獲悉，該所研究團隊解析了環(huán)脂肽類天然產(chǎn)物FR901379的完整生物合成途徑和調(diào)控機制，尤其是詳細闡明了磺酰化形成機制，在此基礎(chǔ)上通過代謝工程改造，顯著提高了工業(yè)菌株的發(fā)酵性能，并基于磺酰化模塊創(chuàng)制了水溶性提高數(shù)千倍的新型磺酰化棘白菌素類化合物。相關(guān)成果發(fā)表于《代謝工程》和《微生物細胞工廠》。
棘白菌素類抗真菌藥物是治療深部真菌感染的一線臨床用藥，其中米卡芬凈因存在天然磺酰化修飾具有很好的水溶性。棘腔孢霉發(fā)酵生產(chǎn)的環(huán)脂肽類天然產(chǎn)物FR901379是米卡芬凈工業(yè)生產(chǎn)的前體化合物，其發(fā)酵效率低使得米卡芬凈生產(chǎn)成本居高不下，限制了米卡芬凈的市場應(yīng)用。解析FR901379生物合成機制，開展工業(yè)菌株理性改造是提高米卡芬凈生產(chǎn)效率的重要研究方向。
FR901379合成調(diào)控機制解析及其應(yīng)用。黃雪年?門萍制圖
研究團隊首先對FR901379合成基因簇進行了生物信息學(xué)預(yù)測，通過基因敲除進行了系統(tǒng)驗證并提出FR901379環(huán)脂肽骨架的生物合成途徑；利用HMMER構(gòu)建隱馬爾可夫模型預(yù)測同源基因，并結(jié)合差異轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)篩選可能負責(zé)氧磺酰基基團合成的候選基因。體內(nèi)敲除和體外酶活結(jié)果表明，氧磺酰化修飾是由細胞色素P450酶McfP和磺酰基轉(zhuǎn)移酶McfS在環(huán)脂肽后修飾階段完成的。
闡明FR901379生物合成機制后，研究團隊針對棘腔孢霉發(fā)酵過程中存在產(chǎn)量低、副產(chǎn)物難分離等問題，開展了系統(tǒng)的工業(yè)菌株理性改造研究，使FR901379合成途徑全面上調(diào)，搖瓶產(chǎn)量也提高了3倍。為了減少因氧化不充分導(dǎo)致的中間產(chǎn)物積累，團隊對關(guān)鍵的后修飾限速酶McfF和McfH進行過表達，合成途徑優(yōu)化后副產(chǎn)物含量減少80%以上，產(chǎn)量也進一步顯著提高，最終在5L發(fā)酵罐中產(chǎn)量達到4.0g/L，高于現(xiàn)有工業(yè)水平。
磺酰基基團能夠增加化合物的水溶性，進而增加藥物的生物利用度，為了創(chuàng)制更多的磺酰化棘白菌素類化合物，研究團隊將磺酰化模塊在抗真菌藥物卡泊芬凈前體（紐莫康定B0）生產(chǎn)菌株中進行了異源重構(gòu)，成功獲得了氧磺酰化紐莫康定B0，其水溶性提高了4000多倍，該研究為創(chuàng)制更多磺酰化棘白菌素類化合物提供了酶學(xué)元件和可行性驗證。
該研究完整解析了FR901379的生物合成機制，在此基礎(chǔ)上對FR901379合成途徑的適配性進行了優(yōu)化，并創(chuàng)制了水溶性的新型磺酰化棘白菌素類化合物，為米卡芬凈生產(chǎn)工藝提質(zhì)增效奠定了基礎(chǔ)，同時也為藥物水溶性提高提供了新思路。
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