利用基因组发掘技术指导链霉菌SH—62中活性天然产物的分离及鉴定

鲁洲　周俊　何璟

摘要：通过生物信息学分析，利用基因组发掘技术发现链霉菌SH-62基因组中至少含有37个次级代谢产物的生物合成基因簇，除了有4个基因簇分别与已知的肠道菌素、潮霉素A、尼日利亚菌素和格尔德霉素的生物合成基因簇具有高度同源性以外，其他基因簇的功能鲜见报道。在不同发酵培养基上培养链霉菌SH-62，利用高分辨率的LC-MS对发酵产物进行分析，发现链霉菌SH-62确实能够产生肠道菌素、潮霉素A和尼日利亚菌素，从而证明了基因组发掘策略确实能够指导代谢产物的分离及鉴定。

关键词：链霉菌SH-62；基因组发掘；生物合成基因簇；天然产物

链霉菌是主要的抗生素产生菌，它所产生的抗生素约占已知抗生素的56%。链霉菌活性天然产物中大部分容易分离的已经得到鉴定。传统的基于生物活性筛选新型天然产物的方法，由于其低效性和盲目性，使得天然产物的开发遭遇了瓶颈。过去20年中，美国食品和药物管理局（FDA）每年批准生产抗生素的数量均有下降。另一方面，现有抗生素的耐药性病菌的出现及扩散，迫使研究人员寻找新的筛选方法来获得更多更新的药物以应对危机。

随着测序技术的快速发展和测序价格的大幅下降，越来越多的微生物基因组得到了测序。目前，登录NcBI Genomes数据库的细菌基因组有5 451个，链霉菌基因组有177个。同时，功能越来越强大的生物信息学软件也相继出现，不仅可以分析基因组中可能存在的次级代谢产物生物合成基因簇，而且能够预测一些聚酮类、非核糖体多肽类、吲哚生物碱类、萜类以及羊毛硫肽类天然产物的核心结构。众多的链霉菌基因组的生物信息学分析表明，单一基因组就能够携带超过30个次级代谢产物的基因簇，因而链霉菌属合成天然产物的潜力还远远没有得到充分利用。近年来，人们通过对微生物基因组信息进行分析有目的地发掘新型天然产物的策略，即基因组发掘（Genome mining）应运而生，并且可能成为解决抗生素危机的有效方法之一。

链霉菌SH-62是华中农业大学周放教授于1987年从湖北房县土壤中分离得到的一株吸水链霉菌。该链霉菌拥有良好的生物活性，不仅对枯草芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌等革兰氏阳性菌有很好的抗菌效果，而且对啤酒酵母、卡尔斯伯酵母、掷孢酵母、黄曲霉、匐枝根霉以及多种植物病原真菌有良好的拮抗作用。通过基因组扫描和生物信息学分析，发现该链霉菌基因组中含有至少37个天然产物的生物合成基因簇，其中18个为聚酮合酶（PKS）和/或非核糖体多肽合成酶（NRPS）基因簇。绝大多数基因簇都是新颖独特的，具有合成新型天然产物的潜力。本试验通过研究链霉菌SH-62基因组中一些假定的生物合成基因簇和其对应产物之间的相关性，验证利用基因组发掘策略指导链霉菌SH-62天然产物分离的可行性，为后期基因组发掘技术在开发新型活性天然产物中的广泛应用奠定基础。