开发多功能底盘菌株实现II型聚酮化合物的高效多样化生产

本研究针对II型聚酮化合物(T2PKs)结构多样但高效合成底盘缺失的难题，通过改造金霉素高产菌株Streptomyces aureofaciens J1-022，构建了去内源基因簇的通用型底盘Chassis2.0。该底盘实现了四环类抗生素氧四环素(OTC)产量提升370%，高效合成三环型色素化合物放线紫红素(ACT)和虫红酸中间体(FK)，并直接激活五环型聚酮TLN-1的生物合成基因簇。研究成果为T2PKs的发现与规模化生产提供了理想平台，发表于《Nature Communications》。

　　

在微生物天然产物领域，II型聚酮化合物(T2PKs)因其独特的芳香环结构和广泛药理活性备受关注。这类化合物包括具有抗菌活性的四环素类抗生素、作为食品色素的蒽醌类衍生物以及抗肿瘤药物柔红霉素等。然而，T2PKs的结构多样性与其生物合成效率之间存在显著矛盾——虽然生物信息学分析发现了大量潜在基因簇，但传统宿主如大肠杆菌难以表达聚酮合酶(PKS)核心组件，而常用链霉菌底盘如S. albus的产量普遍低于127 mg/L。更棘手的是，五环型聚酮等复杂结构往往需要额外代谢工程改造才能激活，严重制约了新化合物的发现和产业化进程。

针对这一瓶颈，华中科技大学的研究团队创新性地选择金霉素工业高产菌株S. aureofaciens J1-022作为基础底盘。该菌株具有生长周期短(5-6天)、遗传操作简便等优势，且HRMS分析显示其乙酰辅酶A和丙二酰辅酶A等前体供应水平显著高于模式链霉菌。研究人员通过框架内删除两个内源T2PKs基因簇（金霉素合成簇和孢子色素簇），构建了色素减退型底盘Chassis2.0。代谢组学检测显示，改造后的底盘NADPH和ATP等辅因子在稳定期积累量提升，为异源途径提供了更优越的代谢环境。

研究采用的关键技术包括：1) 基于ExoCET技术的基因簇克隆与异源表达；2) HRMS靶向代谢组学分析前体供应水平；3) 基于DIA-NN的靶向蛋白质组学评估聚酮合酶表达效率；4) 多组学指导的底盘性能优化。

研究结果部分：

四环型T2PKs在Chassis2.0中的高效合成

将S. rimosus的氧四环素(OTC)生物合成基因簇导入底盘后，摇瓶发酵效价达8531.4 mg/L，生产率70.8 mg/L/h，较工业生产菌株提升370%。靶向蛋白质组显示OTC最小PKS组件在Chassis2.0中的表达量显著高于原始菌株，且能正确完成C5/C6双羟基化修饰，解决了酵母表达系统中仅能单羟基化的技术难题。

三环型T2PKs的通用性验证

放线紫红素(ACT)天然基因簇在Chassis2.0中自发激活，产量超过原始生产者S. coelicolor A3(2)。通过组合优化启动子(stnYp、kasOp、ermEp)，人工构建的虫红酸中间体(FK)合成途径效率达56.64 mg/L，创下该化合物异源合成最高记录。

五环型T2PKs的挖掘突破

直接从Micromonospora echinospora J1-020中克隆的未知基因簇在Chassis2.0中自发激活，产生结构新颖的TLN-1(483.46 mg/L)及其衍生物。HRMS/MS分析显示这些化合物分子量超过500 Da，符合十二/十三单元丙二酰辅酶A延伸的pentangular型聚酮特征。

这项研究的意义在于：1) 首次证明工业高产菌株改造的底盘能同时支持三环、四环、五环型T2PKs的高效合成；2) 建立的"即插即用"平台将传统需要多轮代谢工程的基因簇激活过程简化为直接表达；3) 为难以培养微生物的天然产物挖掘提供了新思路。正如通讯作者Tiangang Liu强调的，Chassis2.0在保持工业菌株高产特性的同时，通过精准代谢重编程解决了前体竞争问题，其设计理念可拓展至其他类型天然产物的合成生物学研究。该成果为天然药物研发提供了从基因簇发现到规模化生产的全链条解决方案。