刘天罡课题组实现丝状真菌萜类产物的高效发现

　　

4月26日，Nature（《自然》）子刊Nature Catalysis（《自然·催化》，影响因子IF=41.8）以研究论文（Article）形式，在线发表药学院邓子新院士团队刘天罡教授课题组在萜类化合物高效发现的最新研究成果。

论文题为《丝状真菌萜类生物合成基因簇的高效挖掘》（“Efficient exploration of terpenoid biosynthetic gene clusters in filamentous fungi”）。该研究开发了“基因簇功能元件理性可控重组”策略，实现了萜类沉默基因簇的批量挖掘及高效合成。有效解决困扰该研究领域的“三低”（研究通量低、产物集中度低、产量低）研究瓶颈，显著提升发现新产物的效率。

武汉大学为唯一署名单位，苑玉杰博士、博士研究生程术和卞光凯研究员为共同第一作者，刘天罡教授为唯一通讯作者。研究工作得到科技部合成生物学专项重点研发计划，国家自然科学基金以及武汉大学医学科学进步计划等项目资助。

图1. 丝状真菌萜类生物合成基因簇的高通量挖掘和产物高效合成

萜类化合物是自然界中种类最为丰富的一类天然产物，青蒿素、紫杉醇都是这个家族的明星分子，具有高度的结构和功能多样性。传统的天然产物挖掘方法常受样本资源的制约且由于上百年的研究，大量的资源耗费在已知结构产物的重复发现上。生物信息学研究结果显示，自然界中尚有海量萜类生物合成基因（簇）有待挖掘。为此，刘天罡教授提出以近源物种为异源表达底盘，将萜类基因簇进行理性重构，批量挖掘功能未知萜类基因簇，并结合生物活性筛选快速锁定高活性产物，最终在微生物底盘中实现产物高效合成。为了验证这一设想，该研究以五株丝状真菌来源的39个萜类基因簇为研究对象。开发“基因簇功能元件理性可控重组”策略，通过基因簇的化整为零以及各功能元件理性可控重组，将每个基因簇重建为一个小型突变株库。将自动化高通量操作平台（Auto-HTP工作站）引入天然产物挖掘领域，突破人力资源瓶颈的制约，解决研究通量低的问题。最终，该研究将39个基因簇拆分为173个质粒，在米曲霉底盘内将其重组为208个突变株，显著提升现有研究通量。最终，构建了含有185个萜类产物的化合物库，有效解决了产物集中度低的问题，从中筛选出高抗炎活性二倍半萜产物mangicol J并解析其生物合成途径。最终，通过代谢工程研究打造了高效的米曲霉底盘并实现了mangicol J的高效合成。

这是刘天罡教授提出基于“高效底盘用于萜类化合物高通量挖掘”理念以来，连续在Metabolic Engineering《代谢工程》、Current Opinion in Biotechnology《生物技术新观点》、Angewandte Chemie International Edition《德国应用化学》、Journal of American Chemical Society《美国化学学报》、Nature Communications《自然通讯》和Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America《美国科学院院报》等国际著名刊物发表萜类产物挖掘以及产物合成机理研究的系列工作，又进一步在该领域取得的突破性进展。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-022-00762-x

刘天罡课题组网站：http://tiangangliugroup.cn/