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张立新/向文胜/王为善合作发表链霉菌聚酮类药物产量提升的高效策略

   日期:2019-12-10     来源:BioArt    浏览:1408    评论:0    
核心提示:链霉菌胞内三酰甘油(TAGs)在衔接初级代谢和聚酮合成过程中起着关键作用:TAGs在初级代谢阶段大量积累,当菌体生长进入稳定期开始合成聚酮时,TAGs则开始降解;胞内TAGs的降解不但能为聚酮合成提供必要的前体和还原力,还能够通过影响胞内还原力的水平,调节更多的碳流转向聚酮合成(图1b)。受这一认知规律的启发,该团队提出了一个精准动态控制内源TAGs水平提高聚酮产量的工程策略,实现了若干I型聚酮类药物(阿维菌素、米尔贝霉素)和II型聚酮类药物(土霉素、杰多霉素)的链霉菌高产菌株构建。
  
点评 | 赵国屏(中国科学院院士)、陈芬儿(中国工程院院士) 

微生物药物在“绿色智能制造”的整个过程中面临着诸多卡脖子问题,比如,如何建立新策略实现高效、绿色、智能的产量提升?链霉菌以能够生产大量的次级代谢产物而著称,这些产物正是微生物药物的重要来源。然而,链霉菌在长期的进化中获得合成次级代谢产物的能力,只是为了更好的生存(如与其它微生物竞争营养物质等资源),并不是生来就是人们理想的“药物生产工厂”。因此,要实现链霉菌为人类所用的目标,就必须深入解析影响这些代谢产物产生的共性规律,进而在认知的基础上改造链霉菌代谢途径,获得高效链霉菌微生物细胞工厂,从“格物致知”,到“建物致知”,再到“建物致用”。

聚酮类药物是链霉菌产生的一类重要次级代谢产物,其生物合成过程受到严谨的控制,只有在菌体生长进入稳定期才大量合成。稳定期由于营养限制,菌体物质不再快速合成,胞内初级代谢产物浓度显著降低,但聚酮类次级代谢产物开始大量合成。然而聚酮合成的前体是初级代谢的中间代谢物,此时浓度降低的这些中间代谢物如何满足聚酮大量合成的实际需求? 胞内代谢流从以初级代谢为主转换到次级代谢大幅上升,其中调控的扳机点是什么?另外,除了直接来自初级代谢途径,是否还有其它胞内代谢途径也参与并贡献了聚酮合成?我们又如何理性的精准控制这些相关代谢途径,使聚酮类药物更高效的合成?

2019年12月9日,华东理工大学张立新教授联合中国科学院微生物研究所王为善研究员和中国农业科学院植物保护研究所向文胜教授在Nature Biotechnology杂志上发表文章Harnessing the intracellular triacylglycerols for titer improvement of polyketides in Streptomyces,在长期对链霉菌聚酮类药物生物制造研究的基础上,针对上述一系列未解之谜进行了深入探索(图1a)。该工作被审稿人评价为:“这是70年来首次在代谢水平上清晰阐明链霉菌初级代谢到次级代谢的代谢转换机制并进行工程应用”。
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图1:链霉菌内源三酰甘油(TAG)在衔接初级代谢和次级代谢、调节代谢转换中的关键作用(a);基于调控TAG建立的次级代谢产物高产策略(b)
 该团队首次发现,链霉菌胞内三酰甘油(TAGs)在衔接初级代谢和聚酮合成过程中起着关键作用:TAGs在初级代谢阶段大量积累,当菌体生长进入稳定期开始合成聚酮时,TAGs则开始降解;胞内TAGs的降解不但能为聚酮合成提供必要的前体和还原力,还能够通过影响胞内还原力的水平,调节更多的碳流转向聚酮合成(图1b)。受这一认知规律的启发,该团队提出了一个精准动态控制内源TAGs水平提高聚酮产量的工程策略,实现了若干I型聚酮类药物(阿维菌素、米尔贝霉素)和II型聚酮类药物(土霉素、杰多霉素)的链霉菌高产菌株构建。据悉,在华东理工大学过程优化专家张嗣良教授“多尺度理论”指导下,该团队通过过程控制优化和放大,把链霉菌高产菌株的改造与生物反应器内菌体的流场生理特性密切结合,进一步提高了聚酮类抗生素的产率,产业化成果显著。
 
据了解,该论文经过历时一年半的投稿,最终于2019年12月09号在Nat. Biotechnol.杂志(DOI:10.1038/s41587-019-0335-4)以长篇论文 (article)形式在线发表。审稿人评价道:这是70年来首次在代谢水平上清晰阐明链霉菌初级代谢到次级代谢的代谢转换机制并进行工程应用(This is a fascinating discovery. To my knowledge this link has never beenestablished in the 70 years since the use of polyketides as antibiotics andother drugs began……)。无独有偶,与张立新教授团队发现的链霉菌代谢转换机制类似,美国HalAlper教授也在metab. Eng.杂志上同时发表文章(DOI:10.1016/j.ymben.2019.11.006),报道了在真菌系统--解脂耶氏酵母菌中控制内源TAGs的降解能够有效提高III型聚酮类代谢产物的产量。

反观聚酮类药物的工业发酵,不难发现,一些被驯化的高产菌种同样需要用到含有豆油的培养基才能够实现产量的大幅提升(如盐霉素、四环素和红霉素生产菌的发酵)。张立新教授团队等的这一研究为深度揭示链霉菌中TAGs降解和聚酮类药物合成的代谢机制,进而充分利用可再生TAGs资源,实现聚酮类药物乃至其他次级代谢生物活性产物高效、绿色、智能的生物制造开辟了新思路。

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图2:阿维菌素产学研国际联盟启动仪式(a),挂牌(b)。

该策略最成功的工业化应用是在诺贝尔奖明星药物——阿维菌素产量提高上。阿维菌素是由微生物发酵生产的高效低毒生物杀虫剂,对保证我国甚至是国外的人口健康安全、具有重大意义。在沈寅初院士、李季伦院士等工作基础上,自2006年以来,张立新教授团队与国内企业合作,对阿维菌素合成生物学机制进行了深入研究,将其产量实现了连续翻番,并于2017年牵头成立了阿维菌素产学研国际联盟图2a, b.Avermectin Alliance,总部设在华东理工大学)。因发现阿维菌素而获得2015年诺贝尔生理医学奖的大村智院士当选名誉主席,张立新教授当选联盟共同主席。联盟共同努力将阿维菌素的价格由每公斤数万元降到了五百元左右,使我国成为阿维菌素原料药的唯一生产国家(每年5000吨)

2亿非洲人因为服用中国生产的阿维菌素和依维菌素免受河盲症失明的痛苦,创造了显著的经济效益和社会效益。以上研究正是联盟理事成员团结合作、密切配合的结果,也获得了国家科技进步二等奖。该联盟正在加快我国从药物发掘及其产品开发中的规模制造向高效智造的技术转变,为实现我国从“发酵大国”向“发酵强国”产业升级提供例证。

据悉,华东理工大学张立新教授,中国科学院微生物研究所王为善研究员和中国农业科学院植物保护研究所向文胜教授为本文共同通讯作者。王为善研究员、李珊珊副研究员、李子龙助理研究员、张敬宇博士为共同第一作者。生物反应器国家重点实验室张嗣良教授、杨弋教授、杨琛教授、刘雪婷教授、范克强研究员、夏雪奎副教授、谭高翼副教授、鲁洪中博士、陈相因博士等也做出了重要贡献。

专家点评


赵国屏(中国科学院院士,中国科学院合成生物学重点实验室主任,合成生物学专家)

合成生物学有望为解决与人类健康生存、社会和谐发展相关的重大科学技术问题提供重要的解决途径,从而引起了国内外的广泛关注。portant;">张立新研究团队于2019年12月9号在Nature Biotechnology杂志上发表的工作为合成生物学技术在链霉菌底盘细胞中实现高效药物合成提供了一个优秀典范。

微生物药物是一个传统研究领域,我国科学家在抗生素的生产方面积累丰厚。portant;">然而,在抗生素合成过程中微生物从初级代谢到次级代谢的转换机制始终未被清晰阐明,由此,人们难以通过精准地调控这一关键转换机制,实现微生物药物的高效生产。portant;">张立新研究团队在认识到微生物细胞内三酰甘油(TAGs)在衔接初级代谢和聚酮合成过程中起着关键作用的基础上,提出了一个精准动态控制内源TAGs水平提高聚酮产量的工程策略,实现了若干I型聚酮类药物(阿维菌素、米尔贝霉素)和II型聚酮类药物(土霉素、杰多霉素)的链霉菌高产菌株构建,推动了它们的产业化应用。portant;">这一工作从原创发现到创新技术再到产业化应用,体现了合成生物学研究理念和使能技术强大的应用潜力。portant;">我相信,在未来的5到10年,国内合成生物学领域会出现越来越多的优秀成果。

此外,我认为这一工作是近期国内合成生物学领域团队合作取得重大成功的典范。portant;">合成生物学是多学科交叉融合的会聚科学,需要不同学科的研究人员精诚合作、锐意创新。 除华东理工大学以外,中科院微生物所、中国农业科学院植物保护研究所、中科院遗传发育所等一共9家国内外科研机构的研究人员参与了该工作。 特别令我高兴的是,我所在的中科院合成生物学重点实验室的杨琛研究员也用她多年来辛勤开发的同位素示踪和代谢流量分析技术为该工作做出了重要的贡献。 因此,这一工作充分体现了开展交叉学科研究的必要性以及科研团队、工程技术团队合作的重要性。

专家点评


陈芬儿(中国工程院院士、复旦大学化学系教授,精细有机化工和原料药制造专家

要把绿水青山变成金山银山,“绿色生物制造”是资源与环境可持续发展的最好路径之一,也是我国未来最具发展前景的领域之一。张立新教授团队发现,链霉菌胞内三酰甘油(TAGs)在衔接初级代谢和聚酮合成过程中起着关键作用。进而通过精巧的实验设计,扎实全面的实验操作和数据采集及分析处理,结合高质量全基因组代谢网络模型的系统分析,阐明了通过精准动态控制内源TAGs水平提高聚酮产量的工程策略,实现了若干I型聚酮类药物(阿维菌素、米尔贝霉素)和II型聚酮类药物(土霉素、杰多霉素)的链霉菌高产菌株创建。正如审稿人所评价的:这是70年来首次在代谢水平上清晰阐明链霉菌初级代谢到次级代谢的代谢转换机制并进行工程应用这一发现为“绿色生物制造”在原料、过程和产品等方面的“绿色化”,打开了无数想象的空间!

这是我国首次有科研人员在Nat. Biotechnol.杂志上以长篇论文的形式报道合成微生物学的重要论文,解决了聚酮类药物合成代谢网络中初级代谢到次级代谢的转换机制这一关键科学技术问题。这也是张立新教授团队在阿维菌素生物合成与调控机制领域十几年深入系统研究所取得的一次延深和突破。这些重要的科研成果,为我国合成生物学“卡脖子”技术的突破和绿色生物制造产业的发展提供借鉴。

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41587-019-0335-4
 
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