Sustainable Production of Bioactive Compounds by Sponges—Cell Culture and Gene Cluster Approach: A Review
- 作者
- Werner E.G. Müller, Vladislav A. Grebenjuk, Gaël Le Pennec, Heinz-C. Schröder, Franz Brümmer, Ute Hentschel, Isabel M. Müller, Hans-J. Breter
- 单位
- Institut für Physiologische Chemie, Abteilung Angewandte Molekularbiologie, Universität, Duesbergweg 6, D-55099 Mainz, Germany; Biologisches Institut, Abteilung Zoologie, Pfaffenwaldring 57, D-70569 Stuttgart, Germany; Institut für Molekulare Infektionsbiologie, Universität Würzburg, Röntgenring 11, D-97070 Würzburg, Germany; Institut für Physiologische Chemie, Universität, Duesbergweg 6, D-55099 Mainz, Germany
- 杂志
- Marine Biotechnology（2004）
- DOI
- 10.1007/s10126-002-0098-6
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
海绵中的生物活性次级代谢产物具有巨大药用潜力，但海绵细胞和共生细菌难以体外培养，导致无法可持续开发利用这些化合物。
研究策略
建立海绵细胞三维聚集体（primmorph）培养系统实现体外生产；通过克隆和异源表达参与次级代谢的酶（如聚酮合酶）来利用共生微生物的生物合成潜力。
核心内容
该综述聚焦海绵来源生物活性化合物的可持续生产难题。由于海绵细胞及其共生菌难以体外培养，其药用次级代谢产物长期无法实现规模化开发。研究者建立了海绵三维细胞聚集体（primmorph）培养系统，并尝试通过克隆异源表达聚酮合酶基因来利用共生微生物的合成潜力。以Dysidea avara为例，单细胞悬浮培养不产生avarol，而primmorph在无铁离子时约含1 μg avarol/100 μg蛋白，添加30 μM Fe³⁺后6天和12天产量分别提升至1.5和2.5 μg/100 μg蛋白，与野外样品的1.8 μg/100 μg蛋白水平相当。此外，从Suberites domuncula中分离出约700 bp的聚酮合酶基因片段，其中PKS-3和PKS-5与链霉菌FK506聚酮合酶的一致性分别为52%和45%。该研究证实primmorph系统可实现海绵活性化合物的体外生产，而克隆共生菌聚酮合酶基因簇并在异源系统中表达，为挖掘不可培养微生物的生物合成潜力提供了可行策略，对海洋药物可持续开发具有重要意义。
创新点
首次建立海绵primmorph培养系统并证实其可用于生产生物活性化合物（avarol/avarone）；首次从海绵Suberites domuncula中分离得到聚酮合酶（PKS）基因片段；通过原位杂交技术定位了聚酮合酶在细菌细胞中的表达。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Suberites domuncula（海绵） | 聚酮生物合成 | PKS-3 | β-酮酰基合酶（KS） | 催化 | 从基因组DNA中PCR扩增得到约700 bp片段，编码聚酮合酶酮合酶域，与FK506聚酮合酶有52%一致性。 |
| Suberites domuncula（海绵） | 聚酮生物合成 | PKS-5 | β-酮酰基合酶（KS） | 催化 | 同样从海绵中克隆，与PKS-3有46%一致性和64%相似性。 |
| Dysidea avara（海绵） | avarol生物合成（异戊二烯/莽草酸途径） | — | — | 催化 | 在primmorph培养体系中检测到avarol产生，产量受Fe3+促进，推测由海绵或共生菌催化合成。 |
| 细菌（海绵共生菌，如SB-6、PB-1、PB-2） | 聚酮生物合成 | 未命名PKS基因 | 聚酮合酶 | 催化 | 用特异性引物从海绵组织及primmorph分离的细菌DNA中检测到220 bp的PKS基因片段。 |
关键发现
Dysidea avara中avarol含量约3 g/kg湿重。单细胞悬浮培养不产生avarol，而primmorph在无Fe3+时约含1 μg avarol/100 μg蛋白，添加30 μM Fe3+后6天和12天avarol产量分别增至1.5和2.5 μg/100 μg蛋白（P<0.001），与野外样品（1.8 μg/100 μg蛋白）相当。S. domuncula组织粗提物对小鼠淋巴瘤细胞的ED50为5.2±0.7 μg/ml。细菌PB-2提取物对金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、大肠杆菌和白色念珠菌的抑菌圈>15 mm。从海绵中PCR扩增得到约700 bp的PKS片段，PKS-3和PKS-5与Streptomyces FK506聚酮合酶的一致性分别为52%和45%。D. avara细胞在avarol浓度0.1-1 μg/ml下活力几乎不受影响，而S. domuncula在0.3 μg/ml时活力显著下降。从200 mg单细胞可获得250 μg DNA，从200 mg组织仅获55 μg DNA。
研究结论
通过primmorph培养系统可以实现海绵来源生物活性化合物的体外可持续生产；克隆海绵共生菌的聚酮合酶基因簇并在异源系统中表达，是开发利用不可培养微生物生物活性潜力的可行策略。