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上海交通大学微生物代谢国家重点实验室

上海交通大学微生物代谢国家重点实验室

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                                      抗生素代谢工程的基础研究

 

                  主要完成人:邓子新、白林泉、由德林、贺新义、黄 曦、许煜泉、张雪洪、黄显清

 

         邓子新研究组在微生物合成代谢研究领域抓住我国微生物药物菌种资源优势,以产生井冈霉素、南昌霉素、杀念菌素等中国资源特色的、化学结构和生物活性多样的抗生素产生菌遗传操作体系为基础,相继分离鉴定了一大批生物活性和化学类别多样性 具有自身特点和首创性的重要微生物药物基因簇, 揭示了复杂的生物合成机理并获得了多株产生新结构衍生物或产量提高的重要工程菌,建成了在国际上有影响的微生物药物基因资源库,建立了以多株中国资源特色的抗生素产生菌为基础的抗生素代谢工程平台。
      抗生素代谢工程研究平台建立了高效的遗传操作系统,首次分离到抗水稻纹枯病井冈霉素、抗寄生虫南昌霉素、抗真菌杀念菌素的生物合成基因簇,阐明了各抗生素的生物合成机制,提高了各抗生素的产量并获得了多个新结构衍生物。2006年6月发表的《Nature Biotechnology》的《研究特写》专栏,特别介绍了邓子新研究组在井岗霉素研究方面取得的重大突破及其意义,这是《Nature Biotechnology》杂志首次对我国在重要微生物药物生物合成机理研究及重大应用潜力方面的专栏报道。
报道评述了邓子新团队在基因功能分析的基础上,通过基因重组装的新策略从27个基因中将防治水稻纹枯病的高效微生物农药——井冈霉素生物合成的必需基因限定在8个,并实现了在异源宿主中的全合成(Chemistry & Biology, 2006, 13 (4): 387-397)。文章高度评价了该项研究的重要意义,认为利用井冈霉素基因有可能通过转基因技术使水稻等重要作物直接对病原丝核真菌产生抗性,还可能使有效烯胺等多种医用药物的生产更为直接和高效。
      鉴于在我国抗生素领域的贡献,邓子新等受英国化学会主编的权威综述性刊物《Natural Product Report》邀请,撰写发表了“抗生素代谢途径与代谢工程——中国的研究”的综述报告(Deng ZX, Bai LQ (2006) Natural Product Reprot, 23:811-827)。重要研究论文被Science 等高影响因子杂志多次引用,受邀在重要国际会议和著名研究机构作报告,其中“井冈霉素的基因捕捉与组装合成”入选2006年度“中国高等学校十大科技进展”并获2007年教育部自然科学奖二等奖。“抗生素代谢工程的基础研究”获2008年国家自然科学二等奖。
      研究组在抗真菌杀念菌素多种组分的合成方面,首先在结构上确证了彼此之间的差异,并根据基因簇序列信息推测:这种结构上的差异是由于对应PKS模块的还原结构域(如脱水酶DH和还原酶KR作用不完全的结果)。通过KR21和DH18关键氨基酸的定点突变定向消除了两个次级组分,并最终获得了只产生最适组分III的高产菌株。本项成果不但首次证实了“结构域部分发挥作用”的论断,而且为聚酮类化合物产生菌的分子育种提供了新的研究思路。相关论文发表在Chemistry & Biology 上,文章发表之后很快得到《Nature China 》研究特写专栏的专文评述,认为为多烯类抗生素的改造打开了“一扇窗户”。
研究组分离并鉴定了携带有葡萄糖基的安丝菌素酰胺氮苷的新衍生物。首次对N-糖基转移酶Asm25进行了详细的功能性研究。文章发表在Chemistry & Biology 上,发表后不久就被美国威斯康星大学糖基转移酶专家Jon Thorson 教授在Faculty of 1000 Biology 上高度评价,认为对组合生物合成改造抗生素提供了新的酶工具。
      许煜泉、张雪洪研究组对申嗪霉素(防治水稻纹枯病、蔬菜枯萎病害)的活性成分吩嗪-1-羧酸基因簇表达的调控机制开展了系统地研究,构建了高效表达的基因工程菌株,提高了申嗪霉素的发酵效价,大规模发酵效价达到3000ppm以上,降低了生产成本。联合生产企业参加了农业部农技推广中心组织的对我国主要水稻产区的植保站连续两年的示范推广试验,并在上海举行了现场观摩会,为国家粮食作物的安全性生产作出了新贡献。对吩嗪-1-羧酸修饰基因phzM及其调控基因表达的温度依赖性研究成果已被AEM录用,阐明了假单胞菌株M18 大量积累吩嗪-1-羧酸的一种分子机理。
      在2009和2010年连续两年内,农业部全国农技推广中心组织我国水稻主要种植区的南方十省市植保站开展示范推广试验取得成功,并于2009年9月,在上海召开了现场观摩会,期待申嗪霉素新农药的获得正式登记并将大面积的推广应用,为我国主要粮食作物水稻的安全生产作出新贡献。

 

(一)代表性研究论文
1. Xu H, Zhang Y, Yang J, Mahmud T, Bai L, Deng Z. Alternative epimerization in C(7)N-aminocyclitol biosynthesis is catalyzed by ValD, a large protein of the vicinal oxygen chelate superfamily. Chem Biol. 2009 May; 16(5):567-76.
2. Chen W, Huang T, He X, Meng Q, You D, Bai L, Li J, Wu M, Li R, Xie Z, Zhou H, Zhou X, Tan H, Deng Z. Characterization of the polyoxin biosynthetic gene cluster from Streptomyces cacaoi and engineered production of polyoxin H. J Biol Chem. 2009 Apr; 284(16):10627-38.
3. Zhao P, Bai L, Ma J, Zeng Y, Li L, Zhang Y, Lu C, Dai H, Wu Z, Li Y, Wu X, Chen G, Hao X, Shen Y, Deng Z, Floss HG. Amide N-glycosylation by Asm25, an N-glycosyltransferase of ansamitocins. Chem Biol. 2008 Aug; 15(8):863-74.
4. Zhou Y, Li J, Zhu J, Chen S, Bai L, Zhou X, Wu H, Deng Z. Incomplete beta-ketone processing as a mechanism for polyene structural variation in the FR-008/candicidin complex. Chem Biol. 2008 Jun; 15(6):629-38.
5. Liu T, Lin X, Zhou X, Deng Z, Cane DE. Mechanism of thioesterase-catalyzed chain release in the biosynthesis of the polyether antibiotic nanchangmycin. Chem Biol. 2008 May; 15(5):449-58.
6. Deng Z, Bai L. Antibiotic biosynthetic pathways and pathway engineering-a growing research field in China. Nat Prod Rep. 2006 Oct; 23(5):811-27.
7. Liu T, You D, Valenzano C, Sun Y, Li J, Yu Q, Zhou X, Cane DE, Deng Z. Identification of NanE as the thioesterase for polyether chain release in nanchangmycin biosynthesis. Chem Biol. 2006 Sep; 13(9):945-55.
8. Bai L, Li L, Xu H, Minagawa K, Yu Y, Zhang Y, Zhou X, Floss HG, Mahmud T, Deng Z. Functional analysis of the validamycin biosynthetic gene cluster and engineered production of validoxylamine A. Chem Biol. 2006 Apr;13(4):387-97.
9. Q Zhou, JJ Su, HX Jiang, XQ Huang, YQ Xu. Optimization of phenazine-1-carboxylic acid production by a gacA/ qscR -inactivated Pseudomonas sp. M18GQ harboring pME6032Phz using response surface methodology. Appl Microbiol Biotechnol (2010) 86:1761–1773.
10. Huang JF, Xu YQ, Zhang HY, Li YQ, Huang XQ, Ren B, Zhang XH. Temperature-Dependent Expression of phzM with its Regulatory Genes lasI and ptsP in Rhizosphere Isolated Pseudomonas sp. Strain M18. Appl Environ Microbiol, 2009,75
20:6568-6580
11. Liu,H. M.,X. H. Zhang,X. Q. Huang,C. X. Cao & Y. Q. Xu. Rapid quantitative analysis of phenazine-1-carboxylic acid and 2-hydroxyphenazine from fermentation culture of Pseudomonas chlororaphis GP72 by capillary zone electrophoresis. Talanta, 2008,76: 276-281.
12. YQ Li, HX Jiang, XL Du XQ Huang, XH Zhang, YH Xu and YQ Xu. Enhancement of phenazine -1- carb oxylic acid production using batch and fed-batch culture of gacA inactivated Pseudomonas sp. M18G. Bioresource Technology, 101 (2010) 3649-3656
13.Yan A,Huang XQ,Tang XY,Liu HM,Zhang XH and Xu YQ. An rhl-like quorum-sensing systemnegatively regulates pyoluteorin production in Pseudomonas sp. M18. Microbiolog -SGM,2007,153 (1): 16-28
(二)所获荣誉
1
2008国家自然科学二等奖
2
2007教育部自然科学二等奖
3
2007上海市科学技术一等奖
4
2006中国高等学校十大科技进展
5. 2004
中国高等学校十大科技进展(未列入此次成果统计)
(三)论文评价
1
Nature Biotechnology对井冈霉素研究成果的评价
2
Nature China对杀念菌素研究成果的评价
3
Nature China对南昌霉素研究成果的评价
4
Faculty 1000 of Biology对安丝菌素研究成果的评价

 

(四)其他
1.“
利用促生拮抗菌M18衍生菌株制备杀菌剂的方法发明专利证
2.
全国农业技术推广服务中心农技植保便函[2008]16关于开展新型杀菌剂申嗪霉素防治水稻枯纹病实验的通知
3.
全国农业技术推广服务中心农技植保便函[2009]11关于开展新型杀菌剂申嗪霉素防治水稻枯纹病实验的通知
4.
全国农业技术推广服务中心农技植保便函[2009]89关于召开申嗪霉素防治水稻枯纹病药效示范现场观摩会的通知
5.
微生物源农药申嗪霉素的原药和制剂照片

 

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