Genome Mining Reveals Two Novel Bacterial Sesquiterpene Cyclases: (-)-Germacradien-4-ol and (-)-epi-α-Bisabolol Synthases from Streptomyces citricolor
- 作者
- Chiaki Nakano, Fumitaka Kudo, Tadashi Eguchi, Yasuo Ohnishi
- 杂志
- ChemBioChem（2011）
- DOI
- 10.1002/cbic.201100418
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
细菌中萜类环化酶研究较少，利用基因组挖掘发现新型细菌倍半萜环化酶。
研究策略
对Streptomyces citricolor的基因组进行挖掘，异源表达两个疑似倍半萜环化酶基因SC1和SC2，并通过体内外实验鉴定其产物和酶学性质。
核心内容
该研究通过基因组挖掘策略，从柠檬色链霉菌中鉴定出两个新型细菌倍半萜环化酶基因SC1和SC2，并分别在变铅青链霉菌和大肠杆菌中实现异源表达。体外酶学实验表明，SC1和SC2分别催化生成(-)-germacradien-4-ol和(-)-epi-α-bisabolol，二者产物占总倍半萜的比例分别超过85%和90%，显示出比植物来源对应酶更高的产物特异性。酶动力学分析显示，SC1的Km为115±3.5 nM，kcat/Km为1.72 s⁻¹μM⁻¹；SC2的Km为334±19.9 nM，kcat/Km为0.37 s⁻¹μM⁻¹，最适温度分别为55°C和35°C。从4升培养物中分别纯化获得9.8 mg和14.0 mg目标产物。野生型菌株中仅检出(-)-germacradien-4-ol，未检测到(-)-epi-α-bisabolol，提示后者可能仅在异源表达条件下高效产生。这是首次从细菌中发现这两类倍半萜合酶，证明基因组挖掘是发掘细菌萜类多样性和新型环化酶的有效途径，为萜类天然产物的酶法合成提供了新的催化元件。
创新点
首次从细菌中鉴定出(-)-germacradien-4-ol合酶和(-)-epi-α-bisabolol合酶；与植物来源的相应酶相比，这两个细菌酶具有更高的产物特异性。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Streptomyces citricolor NBRC 13005 | 倍半萜生物合成 | SC1, SC2 | SC1, SC2 | 催化 | 野生型菌株；SC1在野生型中产生(-)-germacradien-4-ol，SC2产物未检测到 |
| Streptomyces lividans TK21 | 倍半萜生物合成 | SC1 | SC1 | 催化 | 异源表达产生(-)-germacradien-4-ol |
| Streptomyces lividans TK21 | 倍半萜生物合成 | SC2 | SC2 | 催化 | 异源表达产生(-)-epi-α-bisabolol |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 倍半萜生物合成 | SC1 | SC1 | 催化 | 用于体外酶学分析 |
| Escherichia coli BL21(DE3) | 倍半萜生物合成 | SC2 | SC2 | 催化 | 用于体外酶学分析 |
关键发现
- 从4 L培养物中分别纯化得到(-)-germacradien-4-ol (9.8 mg)和(-)-epi-α-bisabolol (14.0 mg)
- SC1和SC2体外产物占总倍半萜的比例分别>85%和>90%
- SC1的Km为115±3.5 nM，kcat为0.198±0.004 s-1，kcat/Km为1.72 s-1 μM-1
- SC2的Km为334±19.9 nM，kcat为0.123±0.002 s-1，kcat/Km为0.37 s-1 μM-1
- SC1最适温度55°C，SC2最适温度35°C
- 野生型S. citricolor中检测到(-)-germacradien-4-ol，但未检测到(-)-epi-α-bisabolol。
研究结论
SC1和SC2分别是细菌中首次发现的(-)-germacradien-4-ol合酶和(-)-epi-α-bisabolol合酶，且产物特异性显著高于植物对应酶，表明基因组挖掘是发现细菌萜类多样性及新型萜类合酶的有效策略。