Exploration of diverse secondary metabolites from Penicillium brasilianum by co-culturing with Armillaria mellea
- 作者
- Xiaoting Rong, Lihua Zhang, Wenni He, Zhe Guo, Hui Lv, Jinglin Bai, Liyan Yu, Lixin Zhang, Tao Zhang
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2024）
- DOI
- 10.1007/s00253-024-13282-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
Penicillium brasilianum基因组中存在大量沉默的生物合成基因簇（BGCs），常规培养和OSMAC策略无法有效激活其代谢潜力，难以发现新化合物
研究策略
采用Penicillium brasilianum与Armillaria mellea共培养策略，结合基因组挖掘（antiSMASH）、OSMAC对照、大规模发酵、化合物分离鉴定、异源表达（酵母）及生物信息学分析
研究路线图
核心内容
本研究利用巴西青霉（Penicillium brasilianum）与蜜环菌（Armillaria mellea）的共培养策略，结合antiSMASH基因组挖掘、OSMAC对照及大规模发酵，系统探索了该菌株中沉默的次级代谢产物基因簇。共培养体系在6 kg大米规模发酵中获得约22 g粗提物，分离得到5个新化合物（arpenibisabolane A/B、arpenicarotane A/B、arpenicorhismitic A）和7个已知化合物，其中arpenibisabolane A为首例6/5稠合双环没药烷型倍半萜，这些新化合物在单培养中均未检出。基因组测序组装获得34.12百万非冗余碱基，antiSMASH预测40个生物合成基因簇，并通过异源表达与生物信息学分析鉴定了参与没药烷和胡萝卜烷型倍半萜生物合成的两个基因簇Pb-bis（约7.5 kb）和Pb-car；将Pb-bisA在酿酒酵母中异源表达成功产生β-没药烯（m/z=204）。该研究证实共培养能有效激活沉默基因簇，为利用代谢工程手段生产结构新颖的倍半萜类化合物提供了新基础。
创新点
首次发现6/5稠合双环没药烷型倍半萜（arpenibisabolane A）；共培养诱导产生了5个新化合物；鉴定了参与没药烷和胡萝卜烷型倍半萜生物合成的两个BGC（Pb-bis和Pb-car）并提出了假想代谢途径
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Penicillium brasilianum CGMCC 3.4402 | 没药烷型倍半萜生物合成 | Pb-bisA | Pb_BisA（倍半萜合酶） | 催化 | 催化FPP环化生成β-没药烯，为arpenibisabolanes生物合成关键酶 |
| Penicillium brasilianum CGMCC 3.4402 | 没药烷型倍半萜生物合成 | Pb-bisB | BisB（细胞色素P450） | 催化 | 推测参与多步氧化修饰，形成高度氧化的没药烷结构 |
| Penicillium brasilianum CGMCC 3.4402 | 胡萝卜烷型倍半萜生物合成 | Pb-car簇（CarA, CarB, CarC, CarD） | CarA（萜环化酶）/CarB、CarC（P450）/CarD（脱水酶） | 催化 | 负责胡萝卜烷型倍半萜（如arpenicarotanes和aspertric acid）的生物合成 |
| Armillaria mellea CPCC 400891 | 次级代谢诱导 | — | — | 调控 | 作为共培养诱导菌，通过种间互作触发P. brasilianum沉默基因簇的表达 |
| Saccharomyces cerevisiae BJ5464 | 异源表达 | Pb-bisA | Pb_BisA | 催化 | 用于验证Pb-bisA功能，异源表达产生β-没药烯（m/z=204） |
关键发现
- 共培养体系分离得到5个新化合物（arpenibisabolane A/B、arpenicarotane A/B、arpenicorhismitic A）和7个已知化合物
- 新化合物在单培养中未检出
- arpenibisabolane A为首例6/5稠合双环没药烷
- 基因组测序获得约5148百万碱基，组装为44个scaffolds（34.12百万非冗余碱基）
- antiSMASH预测40个BGC（12聚酮、17 NRPS、4杂合、5萜类、2 β-内酯）
- Pb-bis基因簇约7.5 kb，Pb_BisA与Stachybotrys sp. α-没药醇合酶同源性36%、与Fusarium sp. BibS同源性31%、与A. fumigatus bergamotene合酶同源性24%
- 异源表达Pb-bisA于酿酒酵母产生β-没药烯（m/z=204）
- 共培养规模6 kg大米，粗提物约22 g
- 化合物1-6对A549、MCF-7、HepG2细胞系均无显著细胞毒活性
研究结论
共培养策略能够有效激活Penicillium brasilianum中沉默的次级代谢产物基因簇，产生新的倍半萜类化合物，为深入理解其生物合成及通过代谢工程手段生产有趣倍半萜提供了基础