From the depths of the Java Trench: genomic analysis of Priestia flexa JT4 reveals bioprospecting and lycopene production potential
- 作者
- Ocky K. Radjasa, Ray Steven, Yosua Natanael, Husna Nugrahapraja, Sephy K. Radjasa, Tati Kristianti, Maelita R. Moeis, Joko P. Trinugroho, Haekal B. Suharya, Alfito O. Rachmatsyah, Ari Dwijayanti, Mutiara R. Putri, Charlie E. de Freets, Zen L. Siallagan, Muhammad Fadli, Rafidha D. A. Opier, Jandinta D. Farahyah, Viana Rahmawati, Meirifa Rizanti, Zalfa Humaira, Ary S. Prihatmanto, Nugroho D. Hananto, R. Dwi Susanto, Agus Chahyadi, Elfahmi, Neil Priharto, Kamarisma, Fenny M. Dwivany
- 单位
- Research Center for Deep Sea, The Earth Sciences and Maritime Research Organization, National Research and Innovation Agency, Jakarta, Indonesia; Institut Teknologi Bandung, School of Life Sciences and Technology, Bandung, West Java, Indonesia; Institut Pendidikan Indonesia, Garut, West Java, Indonesia; Department of Biotechnology, Faculty of Science and Technology, Universitas Muhammadiyah Bandung, Bandung, West Java, Indonesia; Research Center for Genetic Engineering, Research Organization for Life Science and Environment, National Research and Innovation Agency, Cibinong, Bogor, Indonesia; Indonesia Biogeography and Biodiversity Research Institute, Bandung 40115, Indonesia; Department of Oceanography, Faculty of Earth Science and Technology, Institut Teknologi Bandung, Bandung, West Java, Indonesia; Korean Collection for Type Cultures (KCTC), Biological Resource Center, Korea Research, Institute of Bioscience & Biotechnology (KRIBB), Jeonguep, Jeollabuk-Do 56212, Republic of Korea; Institut Teknologi Bandung Research Center On Information and Communication Technology, Bandung, West Java, Indonesia; Directorate of Research Vessel Management, National Research, and Innovation Agency, Jakarta, Indonesia; Department of Atmospheric and Oceanic Science, University of Maryland, College Park, Maryland, USA; Faculty of Fisheries and Marine Science, Universitas Diponegoro, Semarang, Indonesia; Bioscience and Biotechnology Research Center, Bandung Institute of Technology, Bandung, West Java, Indonesia; School of Pharmacy, Bandung Institute of Technology, Bandung, West Java, Indonesia
- 杂志
- BMC Genomics（2024）
- DOI
- 10.1186/s12864-024-11115-2
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
深海环境蕴藏丰富微生物资源，但来自印度尼西亚深海的微生物基因组信息及其遗传编码的次级代谢产物潜力尚未被充分探索。传统筛选方法难以激活沉默基因簇，且缺乏基因组层面的系统挖掘，导致深海新型生物活性化合物（如番茄红素）的发现受限。
研究策略
采用培养依赖法与全基因组测序相结合：从爪哇海沟1000米深海水样品分离耐冷菌Priestia flexa JT4，利用纳米孔测序获得高质量基因组，结合antiSMASH等工具预测次级代谢产物基因簇（BGC），通过泛基因组分析、基因组岛预测、NRP结构相似性搜索和抗菌活性预测，并采用UPLC-MS/MS多反应监测模式验证目标化合物（番茄红素）的产生。
核心内容
本研究从印尼爪哇海沟1000米深海水中分离出耐冷菌Priestia flexa JT4，结合培养依赖法与纳米孔全基因组测序对其生物勘探潜力进行系统挖掘。基因组大小为4,026,611 bp，GC含量37.9%，完整度达98.09%。泛基因组分析显示Priestia属为开放型泛基因组，JT4拥有2,271个云基因，其中95.64%为特有基因，反映出深海环境的遗传独特性。通过antiSMASH预测到8个次级代谢产物基因簇，包括两个可能产生新型化合物的NRPS基因簇，并通过结构相似性搜索预测其抗菌活性。关键发现是萜烯类基因簇含有crtM、crtN、crtI、crtB基因，UPLC-MS/MS多反应监测模式确证该菌能产生工业上高需求的番茄红素，这是首次在Priestia属中验证该能力。该研究是印尼深海细菌生物勘探的开创性工作，证实了深海环境作为新型生物活性化合物来源的巨大潜力，为后续通过发酵优化高效生产番茄红素及挖掘新型NRPS产物奠定了基因组层面的基础。
创新点
1. 首次从印度尼西亚爪哇海沟深海水中分离并全基因组测序Priestia flexa JT4；2. 首次在Priestia属中发现开放型（α<1）泛基因组；3. 预测到8个BGC，其中两个NRPS BGC可能产生新型生物化合物；4. 首次确认P. flexa JT4中的萜烯BGC能产生工业上高需求的番茄红素，并用UPLC-MS/MS验证。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Priestia flexa JT4 | 次级代谢（整体） | — | — | 区室化 | 从爪哇海沟1000米深海分离的耐冷细菌，基因组约4 Mb，编码5,185个CDS，具有多种次级代谢产物合成潜力 |
| Priestia flexa JT4 | 类胡萝卜素（萜烯）生物合成 | crtM | 4,4-diapo phytoene synthase | 催化 | 位于LOCUS_51590，KEGG注释为K10208，催化C30类胡萝卜素合成第一步 |
| Priestia flexa JT4 | 类胡萝卜素（萜烯）生物合成 | crtN | — | 催化 | 编码脱氢酶类，参与C30类胡萝卜素骨架去饱和（具体产物未在文中明确） |
| Priestia flexa JT4 | 类胡萝卜素（萜烯）生物合成 | crtI | Lycopene synthase (Crtl) | 催化 | 文中描述为番茄红素合酶，连续进行4次脱氢将phytoene转化为lycopene |
| Priestia flexa JT4 | 类胡萝卜素（萜烯）生物合成 | crtB | 15-cis-phytoene synthase | 催化 | KEGG注释为K02291，催化两分子GPP缩合生成phytoene |
| Priestia flexa JT4 | 非核糖体肽合成 | NRPS1基因簇 | 非核糖体肽合成酶（NRPS） | 催化 | 包含55个基因，与bacitracin BGC相似性22%，预测产物类似cepaciachelin（相似度0.728），具有抗Bacillus subtilis活性（置信度0.4373） |
| Priestia flexa JT4 | 非核糖体肽合成 | NRPS2基因簇 | 非核糖体肽合成酶（NRPS） | 催化 | 包含51个基因，与bacillibactin BGC相似性60%，预测产物类似N-coronafacoyl-L-threonine（相似度0.918），具有抗Prevotella oralis活性（置信度0.5357） |
关键发现
- 从爪哇海沟1000米深处分离出Priestia flexa JT4，环境参数：温度5.60℃、盐度34.72 PSU、pH 8.0、溶解氧2.20 mg/L、硝酸盐2.122 μmol/L、磷酸盐4.067 μmol/L。基因组大小为4,026,611 bp，GC含量37.9%，编码区3,345,237 bp（83.08%），包含5,185个CDS，其中61.97%（3,213个）同时被COG和KO注释，38.03%为未表征基因。基因组完整度98.09%，污染率0.02%。泛基因组分析显示Priestia属为开放型泛基因组（α<1），26个基因组共含14,671个泛基因，核心基因组1,351个（9.20%）
- P. flexa JT4拥有2,271个云基因，其中95.64%（2,172个）为特有基因。预测到21个基因组岛（长度3,528–47,628 bp）。antiSMASH预测8个BGC：RiPP-like、2个NRPS、siderophore、lasso peptide、2个terpene、T3PKS
- 其中NRPS1与bacitracin相似性22%，NRPS2与bacillibactin相似性60%
- NRP1与cepaciachelin相似度0.728，预测抗Bacillus subtilis（置信度0.4373）
- NRP2与N-coronafacoyl-L-threonine相似度0.918，预测抗Prevotella oralis（置信度0.5357）。类胡萝卜素（萜烯）BGC含有crtM、crtN、crtI、crtB基因，UPLC-MS/MS（多反应监测模式）确证P. flexa JT4细胞产生番茄红素。ANI和dDDH分析确认JT4与P. flexa DMP08的ANI为99.61，dDDH为96.8，属于同一物种。
研究结论
本研究分离并鉴定了一种来自印度尼西亚爪哇海沟深海水的耐冷菌Priestia flexa JT4。基因组分析揭示了开放型泛基因组和多个次级代谢产物基因簇，特别是通过UPLC-MS/MS证实其具有产生高价值化合物番茄红素的能力。这是印度尼西亚深海细菌生物勘探的开创性工作，为后续高效生产番茄红素及其他新型生物产物的研究奠定了基础，但仍需进一步优化培养和发酵条件以提高产量。