Natural products from synthetic biology
- 作者
- Wayne Mitchell
- 单位
- Experimental Therapeutics Centre, Agency for Science and Technology Research (A*STAR); Nanyang Technological University, School of Computer Engineering
- 杂志
- Current Opinion in Chemical Biology（2011）
- DOI
- 10.1016/j.cbpa.2011.05.017
- 所属领域
- 合成生物学/代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
天然产物是药物发现的重要来源，但传统发酵筛选只能检测少数代谢产物，大量微生物次级代谢潜力未被挖掘；同时天然产物难以获得纯化合物，导致药物研发界对其兴趣减退。
研究策略
结合下一代测序、基因组挖掘、基因合成、代谢工程和现代分析技术，构建一个名为NPSB的天然产物化合物库生产引擎，以Streptomyces等为主要来源，通过合成生物学方法可靠、批量地生产纯天然产物。
核心内容
针对天然产物药物发现面临的瓶颈，该研究提出利用合成生物学构建天然产物化合物库生产引擎。研究者整合下一代测序、基因组挖掘、基因合成与代谢工程等技术，以链霉菌等为主要来源，系统挖掘基因组中的隐秘次级代谢基因簇，旨在批量生产纯天然产物并建立大规模化合物库。文中指出，1981至2006年批准的974个新化学实体中39%为天然产物或其衍生物，而新分子实体批准数从1995至1999年的年均37.6降至2005至2009年的20.2，凸显了药物发现效率下降的紧迫性。链霉菌基因组约8 Mb，其中约5%为次级代谢基因，但50%至90%未在传统筛选中被发现，离散逻辑模型估计其可发现的天然产物总数约150000个。通过一个4.7 Gb宏基因组文库筛选出3个基因，使大肠杆菌在抑制剂存在下生长提高5.7至6.9倍。技术层面，DNA合成成本已降至芯片合成0.01美元/碱基，体外可组装长达500000 bp的DNA；利用MAGE技术改造大肠杆菌番茄红素通路，产量从2 mg/g干重提升至9 mg/g干重。该工作表明合成生物学是系统发掘天然产物、解决药物发现瓶颈的可行途径，并提出了大规模测序与产业化计划的建议。
创新点
提出利用合成生物学系统性地挖掘链霉菌基因组中的隐秘次级代谢基因簇，建立大规模纯天然产物库（NP Chemicopia），并整合基因组合成、通路调控与高通量分析技术。
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | 甲羟戊酸（MVA）通路 | — | HMGS, HMGR | 催化 | 用于生产青蒿素前体amorpha-4,11-diene和artemisinic acid |
| Escherichia coli | 异戊二烯通路 | — | — | 催化 | 工程化生产紫杉醇前体 |
| Saccharomyces cerevisiae | 青霉素生物合成 | — | — | 催化 | 酵母分泌青霉素 |
| Streptomyces sp. | 次级代谢 | — | — | 催化 | 天然产物主要来源，目标测序1000个基因组 |
| Escherichia coli | 番茄红素合成 | lycopene通路中20个基因 | — | 调控 | 通过MAGE多重基因组工程改造RBS，产量从2mg/g提高到9mg/g干重 |
| Escherichia coli | 葡糖二酸合成 | — | — | 区室化 | 利用蛋白支架提高产量 |
| — | — | add-A | — | 调控 | 核糖开关改造为add-A*，响应ammeline和azacytosine |
| Saccharomyces cerevisiae | — | RNT1 | Rnt1p | 调控 | 利用发夹RNA插入3'UTR调节基因表达 |
| Streptomyces clavuligerus | 倍半萜合成 | 两个隐秘倍半萜合酶基因 | 倍半萜合酶 | 催化 | 通过基因组挖掘发现 |
| Escherichia coli | 异戊二烯 | — | HMGS, HMGR（支架融合） | 催化 | 通过蛋白支架实现底物通道化 |
关键发现
- 1981-2006年批准的974个新化学实体中39%为天然产物或其衍生物
- 新分子实体五年平均批准数从1995-1999年的37.6下降至2005-2009年的20.2
- ESKAPE病原体耐药导致欧盟每年约25000人死亡
- 约12000个纯天然产物库中发现螺吲哚酮抗疟候选药
- 链霉菌基因组约8Mb，其中约5%为次级代谢基因，50%-90%未在传统筛选中发现
- 离散逻辑模型估计链霉菌可发现的天然产物总数约150000个
- 一个4.7Gb宏基因组文库筛选出3个基因使E. coli在抑制剂存在下生长提高5.7-6.9倍
- 典型细菌基因组20%-40%基因功能未知
- 在S. clavuligerus中发现两个隐秘倍半萜合酶
- 添加氟化铵使ESI-MS可检测特征增加2倍，化合物数据库命中数增加3.5倍
- DNA合成成本已从约0.50美元/碱基降至芯片合成0.01美元/碱基，基因组装成本低于0.10美元/碱基
- 体外可组装达500000 bp的DNA
- 一个碱基缺失dnaA使500 kb基因组构建失效
- 'megacoloning'使基因组装错误率降低500倍
- 通过MAGE改造E. coli番茄红素通路，产量从2 mg/g干重提至9 mg/g干重。
研究结论
合成生物学可以构建天然产物化合物库，是解决药物发现瓶颈的及时且可行的途径；建议启动1000个链霉菌基因组测序、10000个纯天然产物和5000个半合成衍生物的产业化计划。